模拟地下办公空间照明环境对主观感受、情感反应和认知表现影响的量化研究

《Developments in the Built Environment》：Quantifying the Effects of Lighting Environment on Subjective Sensation, Affective Response, and Cognitive Performance in a Simulated Underground Space

　　

地下空间高度依赖人工照明，然而照明环境对主观感受、情感反应和认知表现的影响尚未得到充分量化。本研究在模拟地下办公室中考察了照度（illuminance）、相关色温（correlated color temperature, CCT）和暴露时长的影响。研究人员采用置换重要性分析（permutation importance analysis）评估主观感受和情感对不同认知任务的贡献，同时运用结构方程模型（structural equation modeling, SEM）探究照明、感受、情感和认知之间的关系。结果表明，照度和CCT显著影响主观感受和情感反应。较高的照度增强了积极情感并降低了消极情感，而积极情感在6000 K时达到峰值。积极情感和消极情感与工作意愿、卡罗林斯卡嗜睡量表（Karolinska Sleepiness Scale, KSS）和照明满意度密切相关。SEM结果显示，照明与主观感受的关联最强（0.84），而对情感反应（?0.26至0.21）和认知表现（0.23）的影响较弱。这些发现为地下办公室环境提供精细化、任务导向的照明策略支持。

随着城市地下空间开发规模的持续扩大，地下办公空间逐渐成为城市建筑的重要组成部分。据2024年《中国城市地下空间发展蓝皮书》，截至2023年底，中国大陆城市地下空间累计建设规模已达32.76亿m²，同比增长17.88%，约占同期城市建筑竣工面积的21.8%。地下空间缺少自然采光，高度依赖人工照明，其照明环境对使用者的健康、舒适和工作表现具有重要影响。然而，与地上办公空间相比，地下空间具有强围合感、缺乏日光和外部视觉线索等特点，现有研究大多基于常规室内环境，针对地下空间照明环境的主观感受、情感反应和认知表现的量化研究仍显不足。此外，照明参数的作用并非线性，同一照明条件对不同认知任务的影响可能存在差异，因此需要建立“照明–感受–情感–认知”的整合框架来系统解析其相互关系。针对上述问题，研究人员在模拟地下办公室中开展了系统实验，考察照度、相关色温（correlated color temperature, CCT）和暴露时长的综合效应，通过多维认知任务和统计建模揭示了照明影响认知的多通路、任务依赖性特征，为地下等无窗空间的任务导向照明设计提供了科学依据。

在技术方法上，研究于2024年4月1日至21日在重庆大学某教学楼内3.4 m×5.3 m×3.0 m的办公室进行，以全遮光窗帘模拟地下空间，共招募37名22–25岁研究生（男性20名，女性17名）为被试。实验设置3种照度（100、500、1000 Lux）和3种CCT（3000、4500、6000 K），共9个场景，并在进入实验室后60、115、170 min开展认知测试。关键方法包括：采用三因素方差分析（three-way ANOVA）和线性混合效应模型（linear mixed-effects model, LMM）检验照度、CCT和时间的主效应与交互效应；采用随机森林（random forest, RF）结合置换重要性分析量化主观感受和情感对认知表现的贡献；构建结构方程模型（structural equation model, SEM）阐明各变量间的路径关系。认知任务涵盖Stroop色词干扰测试、N-Back测试和心算测试（mental arithmetic, MA）。

在结果部分，各小标题对应的主要发现如下：3.1 主观感受统计显示，照度感知随照度增加而显著变化（P<0.001），CCT感知随CCT升高而显著下降，低照度（100 Lux）下工作意愿显著降低，而时间因素影响很小。3.2 积极和消极情绪统计表明，CCT主要影响积极情绪，照度主要影响消极情绪；积极情绪随照度上升而增加，消极情绪随照度上升而下降，积极情绪在6000 K时最高。3.3 情绪与主观评价的关系显示，积极和消极情绪与工作意愿、卡罗林斯卡嗜睡量表（Karolinska Sleepiness Scale, KSS）和照明满意度均存在强关联（R²>0.7）。3.4 各认知测试CP值统计显示，在500 Lux和4500 K条件下，多数任务的综合认知绩效（cognitive performance, CP）值相对较高，如Stroop从122.5升至129.9，N-Back从176.2升至197.3，MA从30.2升至33.3。3.5 主观变量与认知表现的相关性表明，照度感知与三种认知任务均呈弱正相关（r=0.13–0.20），KSS与Stroop和N-Back呈负相关，消极情绪与Stroop呈负相关。3.6 照明参数对认知表现的主效应和交互效应显示，CCT、照度对三种任务的CP值均有显著主效应，暴露时间仅在Stroop和N-Back上显著，且CCT×照度的交互作用在所有任务中显著，而涉及时间的交互不显著；线性混合模型进一步验证了CCT和照度及其交互项的重要性。3.7 置换重要性分析表明，低照度下积极情绪和CCT感知是Stroop的主要预测因素，高照度下照度感知成为主导；N-Back在低照度下CCT感知最重要，MA任务中积极情绪始终是主要因素；随时间延长，影响因素从照明相关转向情感因素。3.8 SEM模型显示，照明环境对主观感受的标准化路径系数最强（0.84），对积极情感（0.21）、消极情感（?0.26）和认知表现（0.23）的效应较弱；其中照度的标准化关联最大（0.71），CCT为0.32，暴露时长为?0.21。

讨论部分指出，照明效应并非单纯由物理参数驱动，而是通过感知、情感、嗜睡等多通路影响认知，且任务依赖性明显。针对任务导向设计，500 Lux配合中暖色温（3000–4500 K）更有利于注意和记忆任务，而6000 K冷色温更有利于心算任务；个体差异（如专业水平、性别）可能影响贡献权重。研究局限性包括样本均为大学生、未单独分析时段效应、模拟环境与真实地下空间的差异，以及未测量部分空气污染物等。本研究结论可翻译为：本研究系统考察了照度、CCT和暴露时长对地下办公室照明环境下主观感受、情感反应和认知表现的影响，主要发现如下：（1）照度和CCT显著影响主观感受和情感；照度从100 Lux增至1000 Lux时，积极情感从17.78升至18.21，消极情感从11.30降至10.64；CCT条件下积极情感在6000 K时最高（18.73）。（2）积极和消极情感与工作意愿、KSS和照明满意度强相关（R²>0.7）。（3）认知表现呈明显任务依赖性，多数任务在500 Lux和4500 K时CP值较高。（4）置换重要性结果显示，500 Lux时各任务的主观因素贡献相对均衡；Stroop和N-Back在中暖色温（3000–4500 K）下更稳定，MA在6000 K下更好。（5）SEM结果显示照明环境与主观感受关联最强（0.84），与积极情感、消极情感和认知表现的关联较弱。总体而言，这些发现为地下环境任务导向照明设计提供了初步证据。