龐 云，彭小云

(華東交通大學(xué)，江西 南昌 330013)

引言

我國住宅總量極大，隨著經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和健康中國國家戰(zhàn)略的推進，人們越來越重視住宅照明。但相對住宅市場規(guī)模和經(jīng)濟發(fā)展水平，我國住宅照明的發(fā)展略顯不足。進行中的一項針對廣東等6個省市400多個樣本的調(diào)查顯示，住宅照明的方案制定者或決策者主要為業(yè)主、裝修工人或裝修設(shè)計公司。按照目前的消費習(xí)慣與裝修行業(yè)特點，住宅照明可能將在較長時期內(nèi)沿續(xù)現(xiàn)有的實施模式。但照明涉及電氣工程、建筑學(xué)、設(shè)計學(xué)、環(huán)境心理學(xué)等多個學(xué)科，考慮國際照明委員會(Commission Internationale de l’Eclairage，CIE)、北美照明工程學(xué)會(Illuminating Engineering Society of North America，IES)和德國標準化學(xué)會(Deutsches Institut für Normung，DIN)等關(guān)于光生物效應(yīng)的內(nèi)容[1-4]，還涉及醫(yī)學(xué)和生理學(xué)等。從住宅照明的要求來看，安全性、功能性、舒適性、環(huán)境藝術(shù)性都需兼顧?？梢姡≌彰骷炔荒軆H考慮視覺作業(yè)或節(jié)能，也非等同于住宅光環(huán)境，更不宜片面追求個性化效果，而應(yīng)結(jié)合標準要求、照明理論、使用者需求等進行系統(tǒng)的考慮，這是相關(guān)行業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。因此，以全面、均衡為目標來開展研究，對于提高住宅照明參與者的認知度、推動照明質(zhì)量的普遍提升具有重要意義。這就要求較好地掌握目前的真實現(xiàn)狀，而照明測量則是十分必要的基礎(chǔ)工作之一。

以往此類工作并不多見。楊東梅等[5]對北京101名學(xué)生的家庭學(xué)習(xí)環(huán)境進行照度測量，合格率為2.04%；劉煒等[6]對北京42戶住宅進行照度測量，發(fā)現(xiàn)起居室、臥室、廚房和衛(wèi)生間4個場所照度達標率分別為77.5%、65%、65%和8.3%；張玉蘭等[7]對京、滬、渝3市150戶住宅進行調(diào)查，合格率為：起居室56.7%～65%、餐廳3.3%～7.5%、臥室28.3%～54%、廚房45%～60%、衛(wèi)生間8.3%～31.6%；孫明明等[8]對中國401戶、日本216戶住宅測量照度，發(fā)現(xiàn)我國住宅的起居室閱讀、看電視和聊天3個場景的照度為53 lx、83 lx、71 lx，而日本住宅對應(yīng)數(shù)據(jù)為161 lx、164 lx、160 lx；姜佳麗[9]的調(diào)查結(jié)果顯示住宅各個房間照度合格率低于10%。這些研究樣本量較大、涉及范圍較廣，為后續(xù)相關(guān)研究提供了參考。但上述調(diào)查中，部分重要指標或場所未見描述，又或測量方法、指標設(shè)置等方面未詳細說明，故仍有必要對此做進一步的工作。

首先考慮樣本來源。廣州、佛山地處粵港澳大灣區(qū)中心腹地，人口集中度高，存量住房規(guī)模大，將調(diào)查范圍定為廣佛兩市具有較好的代表性與可行性。但住宅具有私密性特點，受訪意愿低，而且，由于一般不具備完全遮光條件，測量時間須在夜間，樣本獲取十分困難。綜合考慮各種因素，確定采用方便抽樣與自愿非隨機抽樣結(jié)合的方式，在學(xué)校、小區(qū)周邊設(shè)點實施攔截式訪問，同時結(jié)合郵寄調(diào)查招募志愿者，共計獲取樣本50個。對樣本實施入戶訪問，采用觀察法調(diào)查其照明現(xiàn)狀，并完成照明測量。

1 測量過程

1.1 指標設(shè)置

為了控制測量時長與流程，首先按預(yù)定方案進行模擬測量，確定選取臥室、起居室、餐廳、廚房、衛(wèi)生間和學(xué)習(xí)室(或日常學(xué)習(xí)區(qū)域，下稱：學(xué)習(xí)室)6個房間，分別測量80個指標、216項數(shù)據(jù)，包括照度、反射比、Tcp、Ra、R9、照明功率、面積，測量時長約40 min。而眩光、燈具遮光角、色容差、色坐標偏移等現(xiàn)場測量較難實施，不作測量。此外，雖然CIE TN 006:2016關(guān)于閃爍的相關(guān)成果得到廣泛認同，但考慮住宅環(huán)境中多種光源并存，測量程序尚待更多研究，亦不作測量。

綜上，指標設(shè)置主要根據(jù)標準要求、實際需求和可操作性，結(jié)合專家意見調(diào)整后如下：1)Eh/Ev、Tcp、Ra和R9，測點數(shù)、布置滿足《建筑照明設(shè)計標準》(GB 50034—2013)和《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)要求，顯色指數(shù)的測量考慮現(xiàn)行標準要求、結(jié)合CIE TC1-91的進程，僅測量Ra、R9，其他色樣顯色性不作記錄；2) 反射比?？蛷d、臥室、學(xué)習(xí)室有長時間停留需求，如閱讀及看手機、電視等，需測量墻面和地面反射比；3) 測量房間面積，記錄燈具安裝情況，計算每戶住宅LPD值(雖非強規(guī)，但基于整體節(jié)能潛力與研究的完整性，應(yīng)做考慮)；4) 住宅學(xué)習(xí)照明是重點，須測量全部指標，包括作業(yè)面、鄰近周圍及背景區(qū)域的照度，并分別計算均勻度，因?qū)W習(xí)照明普遍采用高色溫光源，若按4 000 K的限值將很大程度上影響評價結(jié)果，故色溫參考《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標準》(GB 7793—2010)，取3 300～5 500 K；5) 廚房除操作臺和一般活動區(qū)域外，增加爐灶區(qū)的測量；6) 衛(wèi)生間鏡前照明存在客觀需求，故測量鏡前Ev。由于GB 50034—2013僅規(guī)定了Eh為100 lx(觀演建筑化妝臺Ev為500 lx)，參考IES RP-11-17的Ev為200 lx、400 lx、800 lx(按年齡分)，Ev與Eh比值為4∶3[10]。結(jié)合人眼對照度變化的明顯感知(約1.5倍)等因素，Ev可設(shè)為150 lx，但我國住宅并未普遍設(shè)置鏡前照明，為降低對整體評價的影響，擬將Ev下調(diào)一檔設(shè)為100 lx。

1.2 測量方法

主要依據(jù)GB/T 5700—2008，測量設(shè)備包括TES 1332A、SPIC-300、鋼卷尺、溫度計等。由于GB 50034—2013中對起居室、臥室及廚房的部分測點要求與前者不一致，考慮到標準類別和發(fā)布時間，此3處測點以后者為準。

1) 水平照度。采用中心布點法，測點為正方形網(wǎng)格中心點、間距1 m×1 m、高度0.75 m，書房、餐廳、廚房臺面取測點間距0.5 m×0.5 m，高度按臺面，現(xiàn)場測量時適當調(diào)整、避開遮擋。各指標測點數(shù)取3～6個。2) 垂直照度。學(xué)習(xí)室取以坐姿面對書桌的主要視野區(qū)域，測點間距0.5 m、高度1.2 m；衛(wèi)生間鏡前照明取測點間距0.3 m、高度1.5 m。3) 光源顏色。測量Ra、R9和Tcp，各場所、各測面測點數(shù)取3個，取算術(shù)平均值。4) 墻面及地面反射比。測點數(shù)3個、間距1 m、高度1.5 m(墻面)。測點位置如圖1所示。5) 測量6個場所的長寬高數(shù)據(jù)，調(diào)查/記錄環(huán)境溫度、儀器狀態(tài)、照明設(shè)備類型、功率和建筑面積(戶內(nèi))，計算LPD值。

圖1 照度測量測點位置Fig.1 Illuminance measurement point

2 測量結(jié)果與分析

夜間測量對測量效率與進度提出了巨大挑戰(zhàn)，整個過程持續(xù)4個月，共計完成測量樣本50個。廣佛兩市樣本數(shù)分別為44個、6個；其中15個樣本無學(xué)習(xí)室；住宅類型包括低層1個、多層23個、中高層2個、高層24個。數(shù)據(jù)顯示照明決策者主要為業(yè)主，占74%，裝修設(shè)計或施工方共計占16%，見表1。根據(jù)前述指標設(shè)置，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示，其中，E1表示一般活動平均照度，E2表示視覺作業(yè)相關(guān)活動的照度(學(xué)習(xí)室E1～E3分別代表作業(yè)面、鄰近周圍和背景區(qū)域照度)。

表1 住宅照明決策者Table 1 Decision maker of residential lighting

圖2 住宅照明合格率Fig.2 Pass rate of residential lighting

2.1 數(shù)據(jù)綜合評價

1) 整體合格率。單套住宅指標合格率為0，即所有樣本無一完全達標。其中，5個樣本有照明設(shè)計師參與，其主要數(shù)據(jù)均表現(xiàn)合格，但因廚房、衛(wèi)生間的LED面板燈R9不合格，導(dǎo)致未能實現(xiàn)整體合格。因此，上述結(jié)論不宜納入LPD指標，若按實測數(shù)據(jù)計算，LPD≤6.0 W/m2的占94%、均值為3.9 W/m2。單個房間合格率分別為：臥室2%、學(xué)習(xí)室14%、起居室4%、餐廳16%、廚房6%、衛(wèi)生間6%(圖2)。由圖3可知，臥室和起居室箱體較長、上下限范圍大，說明數(shù)據(jù)波動幅度大，經(jīng)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，臥室、起居室E1合格率為38%、54%，但E2合格率僅為18%、20%，說明住宅使用者不太重視臥室和起居室的閱讀照明。

圖3 各個房間的合格率Fig.3 Pass rate of each room

2)各項指標的合格率。合格率最低的是照度(視覺作業(yè))，分別為：臥室閱讀18%、起居室閱讀20%、爐灶區(qū)水平照度26%和衛(wèi)生間鏡前垂直照度28%，查對調(diào)查記錄發(fā)現(xiàn)主要原因為燈具選型和安裝位置不當，說明相關(guān)人員普遍不重視照度，并且缺乏照明部署的能力。合格率最高的為反射比，其中起居室墻壁96%、臥室墻壁94%、起居室地面80%；Ra表現(xiàn)居其次，起居室、臥室、廚房和餐廳Ra合格率分別為：74%、74%、72%和70%。由圖4可知，照度數(shù)據(jù)較為分散、偏差大，查對數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)樣本測量數(shù)據(jù)低于標準要求，同時少量樣本的數(shù)值則遠高于標準，說明并未有計劃地對照度進行控制。而Ra和反射比數(shù)據(jù)較為集中，各樣本的水平接近且表現(xiàn)較好。但是，Ra與R9存在異常值，說明有數(shù)據(jù)離群幅度大，個別燈具的顯色指數(shù)嚴重偏離標準要求。

圖4 各項指標的合格率Fig.4 Pass rate of each indicator

3)指標間關(guān)系。樣本所在區(qū)域、住宅類型均與實測指標之間無相關(guān)關(guān)系。將與光源顏色相關(guān)的指標Tcp、Ra、R9以矩陣分布散點圖表示，發(fā)現(xiàn)Ra與R9的關(guān)系為正相關(guān)(圖5)，說明光源Ra值較高時R9值亦較高。而Eav與Tcp關(guān)系方面，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)主要分布于兩個區(qū)域：一是Eav約20～100 lx和Tcp2 500～3 200 K；二是Eav約30～150 lx和Tcp4 700～6 200 K(圖6)。雖然Kruithof Curve已被認為科學(xué)依據(jù)不足，但Kakitsuba[11]的研究表明，兩者組合中兩條回歸線間的帶狀區(qū)域是舒適照明區(qū)域。根據(jù)這項研究，住宅照明中Eav≥75 lx、Tcp≤4 000 K的組合，依然符合“高色溫高照度、低色溫低照度”的經(jīng)驗，即兩條輔助線交叉的左下方區(qū)域可滿足舒適照明要求。

圖5 Ra與R9分布Fig.5 Ra and R9 distribution

圖6 照度與相關(guān)色溫分布Fig.6 Illuminance and CCT distribution

4)照明設(shè)備。50個樣本共412個場所，其中308個采用LED產(chǎn)品，85個采用熒光燈(含CFL、T5/T6/T8、環(huán)形管、2D管、3U排管、H管)，其余19個場所采用白熾燈或鹵素燈；所有場所中，全部或主要采用LED的共占80%(各40%)，以熒光燈為主的占16%。數(shù)據(jù)顯示LED已成為住宅照明的主要光源。其中，42%的廚房和44%的衛(wèi)生間采用了LED面板燈，值得注意的是，廚房不合格數(shù)為23個(采用LED和熒光燈的分別為18個、5個)；衛(wèi)生間不合格數(shù)為32個(采用LED和熒光燈的分別為26個、6個)，即LED面板燈不合格率高達44%，其主要原因為R9<0，導(dǎo)致廚房與衛(wèi)生間不合格率明顯偏高。

2.2 學(xué)習(xí)室照明分析

黃小春等[12]調(diào)查發(fā)現(xiàn)兒童在家學(xué)習(xí)1～2 h的占32.4%，汪曉帆等[13]的調(diào)查數(shù)據(jù)為50.7%。可見學(xué)習(xí)照明需求廣泛存在，有必要進行獨立分析。由于樣本數(shù)量小、維度大，且變量間獨立性強、公共因子少，難以真實反映數(shù)據(jù)間關(guān)系，不宜直接進行因子分析。考慮采用主成分分析降維。因各指標量綱差異大，先對數(shù)據(jù)進行標準化處理。分析結(jié)果為KMO=0.661>0.5，P=0.000<0.05，提取出主成分4個(表2、表3)。

表2 解釋的總方差Table 2 Total variance of interpretation

表3 成分矩陣Table 3 Component matrix

將4個主成分設(shè)為a1～a4，分別計算主成分系數(shù)：b1=a1/sqrt(4.130)，b2=a2/sqrt(2.299)，b3=a3/sqrt(1.125)，b4=a4/sqrt(0.824)，可得主成分Zi如下：

Z1=0.46×ZSR.E1+0.45×ZSR.E2+0.42×ZSR.E3+0.13×ZSR.ρ1-0.15×ZSR.ρ2-0.36×ZSR.U01-0.37×ZSR.U02-0.19×ZSR.Tcp+0.17×ZSR.Ra+0.21×ZSR.R9

(1)

Z2=0.06×ZSR.E1+0.08×ZSR.E2+0.13×ZSR.E3-0.22×ZSR.ρ1+0.21×ZSR.ρ2+0.33×ZSR.U01+0.33×ZSR.U02+0.16×ZSR.Tcp+0.58×ZSR.Ra+0.56×ZSR.R9

(2)

Z3=-0.05×ZSR.E1+0.05×ZSR.E2-0.02×ZSR.E3+0.67×ZSR.ρ1+0.61×ZSR.ρ2-0.07×ZSR.U01-0.13×ZSR.U02+0.39×ZSR.Tcp+0.02×ZSR.Ra+0.02×ZSR.R9

(3)

Z4=-0.02×ZSR.E1+0.07×ZSR.E2+0.1×ZSR.E3-0.06×ZSR.ρ1-0.49×ZSR.ρ2-0.05×ZSR.U01-0.05×ZSR.U02+0.84×ZSR.Tcp-0.12×ZSR.Ra+0.07×ZSR.R9

(4)

由表2可知，前4個主成分濃縮了83.8%的信息，考慮各種不可控因素，此信息量載荷可視為滿足要求。其中，Z1取決于E1、E2、E3，Z2取決于Ra、R9，Z3取決于ρ1、ρ2，Z4取決于Tcp?？傻贸鰧W(xué)習(xí)照明的主要影響因素為作業(yè)面照度和Ra，其次為反射比和Tcp，符合專業(yè)解釋。

此外，現(xiàn)行標準對于照度等指標的規(guī)定為推薦值且未同時規(guī)定上、下限值，這與照明可對人的視覺乃至生理產(chǎn)生多種影響有關(guān)，而這些影響整體上缺乏可靠的評價模型。因此，對于滿足標準值要求的樣本，進行定量評價的依據(jù)不足。在此，嘗試用主成分法進行進一步分析，以特征值為權(quán)重求加權(quán)均值，對35個樣本進行主成分評價，計算綜合排名指數(shù)K=(4.130×Z1+2.299×Z2+1.125×Z3+0.824×Z4)/(4.134+2.299+1.125+0.824)，列出K值排名前10的個案。以學(xué)習(xí)室10項指標標準值對全部個案進行篩選，在排名前10的個案中，選取4個完全滿足標準要求的個案，同時另外抽選4個個案，與之進行獨立樣本t檢驗，發(fā)現(xiàn)Levene方差齊性檢驗的結(jié)果為P值大于0.05，即方差齊可直接比較；t檢驗結(jié)果中SR.U01、SR.U02、SR.Ra的P值小于0.01，即兩組個案中這些指標有差異(表4)。分析結(jié)果表明：1) 采用主成分評價進行照明質(zhì)量綜合排名，與實際指標合格率具有明顯關(guān)聯(lián)性；2) 綜合排名靠前、但照明指標未全部達標的影響因素是均勻度和Ra，結(jié)合前述關(guān)于現(xiàn)行標準的討論，因?qū)?yīng)樣本均滿足Ra≥80，故可認為評分靠前的樣本中，未能全部滿足標準要求的主要因素是均勻度。進一步與現(xiàn)場情況核對，發(fā)現(xiàn)原因在于學(xué)習(xí)臺燈位置受限和挑臂可調(diào)節(jié)性不足。

表4 獨立樣本檢驗Table 4 Idependent sample test

3 結(jié)論

1)被測樣本單套住宅合格率為0，單個房間合格率為2%～16%，說明住宅照明普遍存在問題。光源方面，80%的住宅主要采用LED光源，接近半數(shù)的廚房和衛(wèi)生間采用LED面板燈，但面板燈R9偏低的問題較為突出，導(dǎo)致相關(guān)房間的合格率顯著降低。由于Ra與R9成正相關(guān)，故可優(yōu)先選擇Ra較高的產(chǎn)品以提高R9合格率。

2)各指標中，合格率最低的是照度(視覺作業(yè))，低至18%～28%，主要原因為照明設(shè)備選型、照明布置等方面出現(xiàn)偏差，反映出相關(guān)人員對住宅照明的認知存在一定的不足。

3)學(xué)習(xí)室照明合格率相比其他房間較高，然而也僅為14%，說明學(xué)習(xí)照明受到重視、但同樣缺乏部署能力。采用主成分分析法對其進行了綜合評價，發(fā)現(xiàn)主要影響因素為平均照度和Ra，其次為反射比和Tcp。

4 討論

1) 此類調(diào)查中，數(shù)據(jù)質(zhì)量與調(diào)查的可接受度存在對立關(guān)系，樣本獲取與測量過程皆十分困難，若要大幅提升樣本質(zhì)量，有待進一步深入開展相關(guān)的科普工作，推動民眾認知度的提高。

2) 照明品質(zhì)評價常采用因子分析法，但常見樣本量不足、數(shù)據(jù)發(fā)散的問題，造成因子提取結(jié)果不佳。而主成分分析對數(shù)據(jù)的要求相對不高，且降維處理后信息損失較少，本文嘗試采用該方法進行照明評價，結(jié)果表現(xiàn)出合理性。該方法是否適用于各類照明環(huán)境的評價，仍有待更多的研究。