室内温度与光照相互作用对办公室工作效率的影响：通过神经行为测试和脑电图功率谱进行评估

《Journal of Building Engineering》：Effects of Indoor Temperature–Illuminance Interactions on Office Work Efficiency Assessed by Neurobehavioral Tests and EEG Power Spectrum

　　

袁祺|陈泽森|江磊|纪英波|李彦瑶|李旭

华北理工大学土木工程学院，北京，100144，中国

摘要

1. 先前的研究很少探讨在综合室内环境条件下，神经行为表现与脑电图（EEG）功率谱之间的机制关系，尽管实际上办公环境涉及多种相互作用的因素。本研究采用多模态实验框架，结合神经行为测试和EEG测量，研究了温度和照度对办公工作者生产力的联合影响。通过组合三种温度水平和三种照度水平，设置了九种实验条件。参与者完成了三种典型的办公活动任务（感知、认知和记忆），同时记录了神经行为表现和EEG功率谱特征。通过相关性和方差分析，确定了特定任务下的EEG-表现关系，并评估了环境因素之间的交互效应。结果表明，表现主要与中高频EEG活动（β和γ波段）相关，且存在任务依赖的空间-频谱模式。在测试范围内，18°C通常表现出最有利的全局模式，尽管并非所有温度效应在神经行为结果上都具有统计学显著性。照度效应也依赖于任务类型，较低的照度有利于感知和记忆任务，而较高的照度则有助于推理表现。在感知任务中观察到温度和照度之间的显著交互效应。此外，EEG反应对环境变化的敏感度高于神经行为测试结果，这表明仅凭行为指标可能无法完全捕捉与生产力相关的生理机制。这些发现强调了在优化室内环境时考虑特定任务和交互效应的重要性，并为设计办公楼中的自适应热环境和照明策略提供了理论依据。

引言

现有研究表明，室内温度和照度等环境因素对办公工作者的效率有显著影响。Kaushik通过调查评估了热环境对热舒适度和工作效率的影响，发现工作效率在18°C至30°C的温度范围内有所不同。虽然21°C-25°C通常被认为是办公场所最舒适的温度范围，但有研究表明，最有利于工作效率的热环境可能并不位于这一范围的中间[1]。Tanabe研究了不同室内温度条件下的任务表现，发现最佳温度因任务类型而异[2]。Fisk也得出了类似的结果。例如，创造性任务在21°C-25°C的舒适范围内可能表现得更好，而需要更高强度和速度的任务可能需要稍微凉爽的环境以达到最佳效率[3][4]。大多数研究表明，照度的增加与任务表现呈正相关。然而，一些研究得出了相反的结果，还有一些研究则表明没有显著影响[5]。Vimalanathan和Babu报告称，与500 lx和750 lx相比，1000 lx的更高照度改善了神经行为测试中的反应时间和减少了错误[6]。相反，Baron等人观察到，在复杂词汇分类任务中，150 lx的较低照度提高了表现[7]。这些发现共同表明，工作效率在不同环境条件下差异很大。因此，研究中的环境变量设计应具有代表性和全面性。

在传统的室内环境研究中，工作效率主要通过主观调查和神经行为测试来进行评估，这两种方法都有局限性。主观评估量表简单且容易出现偏差[8]，这使得难以准确捕捉个体的感受[5]。因此，得到的数据可能模糊且缺乏精确性[9][10]。神经行为测试仍然是该领域最常用的方法[11][12]。它在评估工作效率方面是有效的[5]，但仍存在明显的局限性。它主要测量基于纸面的工作效率，而没有建立室内环境与大脑反馈之间的稳健联系，因此无法完全反映此类环境下的实际工作效率[13]。脑电图（EEG）技术的引入改变了该领域的研究方法。作为一种生理评估工具，EEG信号提供了更精确和有效的方法来评估室内环境与办公工作者表现之间的关系[14]。EEG频域被划分为五个主要范围[15]。δ波（1-4 Hz）在深度睡眠期间占主导地位[16]，表明生理上的睡眠需求[17]。θ波（4-8 Hz）的增加和α波（8-13 Hz）的减少表明从清醒状态向休息状态的过渡[18]。β波（13-30 Hz）与积极的认知和注意过程相关[19]。γ波（30-50 Hz）与警觉状态下的注意力、工作记忆和决策过程有关[10][20]。

李彦雪等人设计了三种室内温度条件（30°C、26°C和22°C），以研究温度引起的EEG信号变化，使用β波功率谱作为注意力水平的指标[21]。结果表明，26°C时β波功率谱和神经行为测试得分均最高。Choi等人分析了七名参与者在七种温度条件（14.6°C-33.8°C）下的注意力水平，使用了额叶通道（Fp1和Fp2）的[感觉运动节奏（SMR）+ 中β]/Θ比率。他们发现，最高的EEG衍生的注意力水平出现在27.6°C，这与参与者的主观报告不符[22]。

Min等人（2013年）使用顶叶区域的α活动来研究照度与神经行为表现之间的关系。与150 lx相比，在700 lx的照度下，顶叶α活动减弱最为明显[23]。Luo等人（2021年）研究了两种照度条件（1200 lx和200 lx）对参与者警觉性的影响，使用EEG δ波和β波段进行观察。与200 lx相比，1200 lx照度下δ波功率降低而β波功率增加[24]。Küller等人证明，在1700 lx下，与困倦有关的δ波活动显著低于450 lx，表明明亮的照度增强了中枢神经系统的警觉性[25]。许多学者倾向于依赖先前的研究，经常选择特定的EEG通道和频率带[21][22][26]。然而，一些研究建议选择特定的通道和频率带可能会引入偏差[27]。相反，研究应更加强调通道、频率带与办公工作者效率之间的内在关系[28]。

以上回顾指出了该领域的几个限制：（1）变量选择和研究方法的差异导致了不一致的研究结果。尽管许多学者将EEG信号技术与神经行为测试结合起来研究室内环境对办公工作者效率的影响，但研究在考虑环境变量方面仍然有限。此外，实际的办公环境是多样且相互作用的，这妨碍了许多研究成果的实际应用。（2）很少有研究明确探讨了EEG与神经行为测试之间的关系。在许多情况下，神经行为测试和EEG被独立分析，从而限制了该领域理论研究的深度。基于实际的室内条件，本研究选择了温度和照度这两个常见的环境变量，并将EEG信号与神经行为测试结合，以考察它们对办公工作者效率的联合影响。

部分片段

实验条件

本实验的目的是研究温度和照度对办公工作者效率的交互效应，这两个因素作为独立变量。根据之前的研究和相关标准[29][30][31][32][33]，选择了三种温度水平（18°C、24°C和30°C）和三种照度水平（100 lx、500 lx和1000 lx）。温度范围从凉爽到温暖，而照度范围从昏暗到明亮。

神经行为测试数据与EEG功率谱值之间的相关性分析

本实验收集了每个任务的EEG功率谱值和神经行为测试数据。进行了相关性分析，以研究不同通道和频率带之间的神经行为测试数据与EEG功率谱值之间的关系。先前的研究使用了（SMR + 中β）/Θ和β/Θ比率作为参考指标。然而，本研究并未发现这些功率谱比率之间存在显著相关性

结论

本研究通过神经行为测试和EEG功率谱分析，研究了温度和照度的联合效果对办公工作者生产力的影响。主要结论如下：

• (1)
  工作表现和EEG反应依赖于任务。在感知、认知和记忆任务中，EEG-表现关联在频率带和脑区上都有所不同。表现主要与中高频EEG活动相关，且具有任务特异性

研究综合室内环境的重要性

本研究旨在通过分析神经行为测试和EEG功率谱数据，研究温度和照明条件的联合效果对办公工作者生产力的影响。以往的研究主要关注单个室内环境因素[45][46][47][48][49]。然而，实际的办公环境涉及复杂且相互作用的因素。在本研究中，我们比较了单一环境条件与综合环境条件下的神经行为测试表现和EEG功率谱数据

作者贡献声明

袁祺：监督、资金获取、正式分析、概念化。江磊：撰写——初稿、方法论、调查、数据管理、概念化。陈泽森：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、软件。李旭：方法论、调查、概念化。纪英波：监督、资金获取、概念化。李彦瑶：监督、方法论

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：袁祺报告称获得了北京市社会科学基金会的财务支持。报告了与之相关的关系：... 有待批准的专利。如果有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。