DOI: https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2025.112751
تاريخ النشر: 2025-02-19
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدراك اللون والتصميم
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في التفاعل بين الإدراك الحراري ودرجة حرارة لون الضوء (CCT) على فهم الطلاب للقراءة، واليقظة، والدافع تحت ظروف مسيطر عليها (24 درجة مئوية و28 درجة مئوية؛ CCTs من 2900 كلفن و5700 كلفن عند 510 لوكس). تشير النتائج إلى أن درجات حرارة اللون الأعلى مرتبطة بإحساس حراري أكثر برودة، مما يدعم فرضية اللون والحرارة. على الرغم من أن تأثير CCT على الراحة الحرارية اقترب من الدلالة الإحصائية (p = 0.054)، لم يتم العثور على اختلافات كبيرة في إدراك الضوء بين حالتي الحرارة، مما يشير إلى تفاعل أحادي الاتجاه بدلاً من تفاعل متبادل.
من الجدير بالذكر أن فهم القراءة ظل ثابتًا عبر جميع الظروف، على الأرجح بسبب تأثير السقف الناتج عن بساطة مواد القراءة ومدة التعرض القصيرة. بينما أثرت التغيرات الطفيفة في درجات الحرارة على متوسط درجات حرارة الجلد، إلا أنها لم تؤثر على معدل ضربات القلب أو تباين معدل ضربات القلب، مما يشير إلى استجابة فسيولوجية محدودة لهذه التغيرات البيئية. تشير النتائج إلى أن الأداء المعرفي مقاوم تحت ظروف معتدلة، مما يسمح بإمكانية تخفيف إعدادات البيئة الداخلية دون آثار ضارة على مهام القراءة غير التحدي. بالإضافة إلى ذلك، كشفت نماذج شجرة القرار المدربة على بيانات من 17 دراسة أن عوامل مثل التصويت المتوقع المتوسط (PMV)، وعزل الملابس، وحجم العينة قد تحجب فرضية اللون والحرارة، مما يشير إلى أن تصميم التجربة يلعب دورًا حاسمًا في هذه التفاعلات.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على استهلاك الطاقة الكبير في قطاعات البناء، والذي يمثل حوالي 40% من إجمالي استخدام الطاقة، ويرجع ذلك أساسًا إلى التدفئة، والتبريد، والإضاءة. تفيد إدارة معلومات الطاقة الأمريكية أن التدفئة والتبريد يمثلان وحدهما حوالي 31.7% و32% من استخدام الطاقة في المباني السكنية والتجارية، على التوالي. تؤكد الورقة على إمكانية تصميم مباني فعالة من حيث الطاقة تحافظ على راحة السكان، خاصة في البيئات التعليمية حيث يمكن أن تؤثر العوامل البيئية الداخلية، مثل الراحة الحرارية والإضاءة، بشكل كبير على الاستجابات العاطفية والفسيولوجية للطلاب، مما يؤثر بدوره على أدائهم في التعلم.
العلاقة بين الراحة الحرارية والأداء المعرفي موثقة جيدًا، حيث ترتبط درجات الحرارة العالية بانخفاض الإنتاجية والوظائف المعرفية، بينما يمكن أن تؤدي ظروف الإضاءة غير الكافية إلى عدم الراحة وتقليل التركيز. تهدف الدراسة إلى معالجة الفجوات في الأبحاث الحالية من خلال التحقيق في التأثيرات المشتركة لدرجة حرارة اللون المرتبطة (CCT) ودرجة حرارة الغرفة على إدراك الطلاب الحراري وفهم القراءة. تفترض أن التعديلات في الإضاءة، خاصة من خلال CCT، يمكن أن تعزز الراحة الحرارية المدركة بطريقة فعالة من حيث الطاقة، مما يوفر بديلاً مستدامًا لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء التقليدية. من المتوقع أن تسهم النتائج في فهم أعمق لكيفية تأثير العوامل البيئية الداخلية على نتائج التعلم، خاصة في فهم القراءة، وهو أمر حاسم عبر مختلف التخصصات الأكاديمية.
الطرق
استخدمت الدراسة تصميمًا تجريبيًا عشوائيًا ضمن الموضوعات للتحقيق في تأثيرات الظروف البيئية المتغيرة على المشاركين. تمت الموافقة عليها من قبل مجلس المراجعة المؤسسية في معهد وورسيتر للتكنولوجيا (IRB-20-0001)، وأجريت التجارب في سبتمبر 2023 في ماساتشوستس. شهد المشاركون أربعة سيناريوهات بيئية متميزة، تجمع بين درجتي حرارة الغرفة (بارد: 24 درجة مئوية ودافئ: 28 درجة مئوية) مع درجتي حرارة لون مرتبطتين (CCTs: 2900 كلفن و5700 كلفن). كانت درجة حرارة الغرفة ثابتة عبر الزيارات، بينما تم عشوائية وتوازن ترتيب التعرض لـ CCT. كانت قيم التصويت المتوقع المتوسط (PMV) لدرجات الحرارة -1.19 و0.58، بناءً على معايير بيئية محددة.
لضمان ظروف حرارية موحدة، كان مطلوبًا من المشاركين ارتداء قمصان بأكمام قصيرة وشورتات، مع الحفاظ على قيمة عزل الملابس عند 0.34 clo. حضر كل مشارك جلستين، تم جدولتهما بفارق يوم واحد على الأقل لتخفيف تأثيرات الحمل. تم تصميم الغرفة التجريبية لتقليل الاضطرابات الخارجية، مما يوفر بيئة مسيطر عليها للدراسة. تم تسجيل خصائص المشاركين، بما في ذلك العمر، والطول، والوزن، ومؤشر كتلة الجسم، ومقاييس الحساسية المختلفة والمبلغ عنها ذاتيًا، والتي تم قياسها على مقياس من 1 إلى 5. كانت هذه المنهجية الشاملة تهدف إلى عزل تأثيرات درجة الحرارة والإضاءة على استجابات المشاركين.
النتائج
توضح قسم النتائج النتائج المستمدة من الاستطلاعات، والاختبارات، والقياسات الفسيولوجية التي أجريت خلال الدراسة. ملتزمين بإرشادات تنسيق APA، يقدم المؤلفون نتائج الاختبارات الإحصائية بطريقة تعزز من قابلية القراءة وتحافظ على الاتساق عبر البيانات. يتم التأكيد على النتائج الرئيسية ضمن السرد، بينما يتم تنظيم القيم الإحصائية التفصيلية بشكل منهجي في جداول، مما يسهل الدقة وسهولة الرجوع للقراء.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم فحص تأثير درجة حرارة اللون (CCT) ودرجة حرارة الغرفة على إدراك المشاركين للراحة الحرارية، والاستجابات الفسيولوجية، والأداء المعرفي. تم تحليل 27 مشاركًا (19 ذكور و8 إناث) بعد أخذ الانسحابات في الاعتبار. تدعم النتائج فرضية اللون والحرارة، مما يشير إلى أن المشاركين ربطوا ألوان الضوء الدافئة (مثل البرتقالي) مع إحساسات حرارية أكثر دفئًا والألوان الباردة (مثل الأزرق) مع إحساسات أكثر برودة. على الرغم من أن الراحة الحرارية العامة لم تختلف بشكل كبير عبر ظروف CCT (p = 0.054)، تم ملاحظة اختلافات فردية، حيث أبلغ بعض المشاركين عن عدم وجود اختلافات حرارية مدركة. كما أبرزت الدراسة أن عوامل مثل التصويت المتوقع المتوسط (PMV)، وعزل الملابس، وحجم العينة أثرت بشكل كبير على دعم فرضية اللون والحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم تأثيرات CCT ودرجة الحرارة على فهم القراءة، واليقظة، والدافع. على الرغم من التغيرات في الظروف، لم يتم العثور على اختلافات كبيرة في درجات الاختبارات أو أوقات الإنجاز عبر إعدادات الحرارة والإضاءة المختلفة. تقترح الدراسة أنه بينما يمكن أن تؤثر الظروف القصوى على الأداء، فإن الظروف المعتدلة التي يتم مواجهتها عادةً في الداخل لا تؤثر بشكل كبير على النتائج المعرفية. تؤكد النتائج على تعقيد التفاعلات بين العوامل البيئية وإدراك الإنسان، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح هذه العلاقات وآثارها على البيئات الداخلية.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود قد تؤثر على تعميم نتائجها. إحدى القضايا الرئيسية هي المدة القصيرة للتعرض للضوء، المحدودة بـ 30 دقيقة، والتي تشير الأبحاث السابقة إلى أنها قد تقلل من التأثيرات الكبيرة لدرجة حرارة اللون المرتبطة (CCT) على الإدراك الحراري على مدى فترات أطول. بالإضافة إلى ذلك، لم تأخذ الدراسة في الاعتبار عوامل بيئية داخلية مختلفة، مثل التدرج الحراري، والتهوية، والضوضاء، ولون الجدران، وجودة الهواء، والتي يمكن أن تؤثر على الإحساس الحراري. قد تتأثر دقة نموذج شجرة القرار أيضًا بسبب تقدير قيم التصويت المتوقع المتوسط (PMV) من بيانات غير مكتملة. علاوة على ذلك، قد تكون بساطة مواد القراءة والاختبارات، التي تتكون أساسًا من أسئلة اختيار من متعدد سهلة، قد أدت إلى تأثير السقف، مما يعيق اكتشاف الفروق الدقيقة في الأداء.
علاوة على ذلك، افتقرت الدراسة إلى السيطرة على الإضاءة الميلانوبية، والتي قد تؤثر بشكل كبير على الاستجابات غير البصرية بخلاف الضوء المرئي وحده. من المحتمل أن تقع مستويات الإضاءة الميلانوبية لظروف CCT الاثنين ضمن مناطق الاستجابة المشبعة، مما يحد من القدرة على تمييز الفروق في التأثيرات غير البصرية. كانت عينة المشاركين أيضًا متجانسة، تتكون فقط من طلاب جامعيين أصحاء، مما يقيد قابلية تطبيق النتائج على جمهور أوسع. أخيرًا، قد لا تلتقط تأثيرات العوامل الموسمية والبيئية، جنبًا إلى جنب مع قيود بيئة المختبر المسيطر عليها، تعقيدات الظروف الواقعية بشكل كافٍ.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2025.112751
Publication Date: 2025-02-19
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Color perception and design
Overview
This study investigated the cross-modal interaction between thermal perception and light color temperature (CCT) on students’ reading comprehension, alertness, and motivation under controlled conditions (24 °C and 28 °C; CCTs of 2900 K and 5700 K at 510 lux). The results indicate that higher CCTs are associated with a cooler thermal sensation, supporting the hue-heat hypothesis. Although the effect of CCT on thermal comfort approached statistical significance (p = 0.054), no significant differences in light perception were found between the two temperature conditions, suggesting a unidirectional interaction rather than a reciprocal one.
Notably, reading comprehension remained consistent across all conditions, likely due to a ceiling effect from the simplicity of the reading materials and short exposure time. While mild temperature variations affected mean skin temperatures, they did not influence heart rate or heart rate variability, indicating a limited physiological response to these environmental changes. The findings imply that cognitive performance is resilient under moderate conditions, allowing for potential relaxation of indoor environmental settings without detrimental effects on unchallenging reading tasks. Additionally, decision tree models trained on data from 17 studies revealed that factors such as predicted mean vote (PMV), clothing insulation, and sample size may obscure the hue-heat hypothesis, suggesting that experimental design plays a crucial role in these interactions.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant energy consumption of building sectors, which accounts for approximately 40% of total energy use, primarily due to heating, cooling, and lighting. The U.S. Energy Information Administration reports that heating and cooling alone represent about 31.7% and 32% of energy use in residential and commercial buildings, respectively. The paper emphasizes the potential for energy-efficient building designs that maintain occupant comfort, particularly in educational settings where indoor environmental factors, such as thermal comfort and lighting, can significantly influence students’ emotional and physiological responses, thereby affecting their learning performance.
The relationship between thermal comfort and cognitive performance is well-documented, with high temperatures linked to decreased productivity and cognitive functioning, while inadequate lighting conditions can lead to discomfort and reduced focus. The study aims to address gaps in existing research by investigating the combined effects of correlated color temperature (CCT) and room temperature on students’ thermal perception and reading comprehension. It posits that adjustments in lighting, particularly through CCT, can enhance perceived thermal comfort in an energy-efficient manner, offering a sustainable alternative to traditional HVAC systems. The findings are expected to contribute to a deeper understanding of how indoor environmental factors influence learning outcomes, particularly in reading comprehension, which is crucial across various academic disciplines.
Methods
The study employed a within-subject, randomized experimental design to investigate the effects of varying environmental conditions on participants. Approved by the Institutional Review Board at Worcester Polytechnic Institute (IRB-20-0001), the experiments took place in September 2023 in Massachusetts. Participants experienced four distinct environmental scenarios, combining two room temperatures (cool: 24 °C and warm: 28 °C) with two correlated correlated color temperatures (CCTs: 2900 K and 5700 K). The room temperature was consistent across visits, while the order of CCT exposure was randomized and balanced. The predicted mean vote (PMV) values for the temperatures were -1.19 and 0.58, based on specific environmental parameters.
To ensure uniform thermal conditions, participants were required to wear short-sleeved shirts and shorts, maintaining a clothing insulation value of 0.34 clo. Each participant attended two sessions, scheduled with at least a one-day gap to mitigate carryover effects. The experimental room was designed to minimize external disturbances, providing a controlled environment for the study. Participant characteristics were recorded, including age, height, weight, BMI, and various sensitivity and self-reported metrics, which were quantified on a scale from 1 to 5. This comprehensive methodology aimed to isolate the effects of temperature and lighting on participant responses.
Results
The Results section outlines the findings derived from surveys, quizzes, and physiological measurements conducted during the study. Adhering to APA formatting guidelines, the authors present statistical test results in a manner that enhances readability and maintains consistency across the data. Key findings are emphasized within the narrative, while detailed statistical values are systematically organized in tables, facilitating precision and ease of reference for readers.
Discussion
In this study, the influence of color temperature (CCT) and room temperature on participants’ thermal comfort perceptions, physiological responses, and cognitive performance was examined. A total of 27 participants (19 males and 8 females) were analyzed after accounting for withdrawals. The findings support the hue-heat hypothesis, indicating that participants associated warm light colors (e.g., orange) with warmer thermal sensations and cool colors (e.g., blue) with cooler sensations. Although the overall thermal comfort did not significantly differ across CCT conditions (p = 0.054), individual differences were noted, with some participants reporting no perceived thermal differences. The study also highlighted that factors such as the predicted mean vote (PMV), clothing insulation, and sample size significantly influenced the support for the hue-heat hypothesis.
Additionally, the effects of CCT and temperature on reading comprehension, alertness, and motivation were evaluated. Despite variations in conditions, no significant differences were found in quiz scores or completion times across the different thermal and lighting settings. The study suggests that while extreme conditions can impact performance, moderate conditions typically encountered indoors do not significantly affect cognitive outcomes. The results underscore the complexity of interactions between environmental factors and human perception, emphasizing the need for further research to clarify these relationships and their implications for indoor environments.
Limitations
The study presents several limitations that may affect the generalizability of its findings. A primary concern is the short duration of light exposure, limited to 30 minutes, which prior research indicates may reduce the significant effects of correlated color temperature (CCT) on thermal perception over longer periods. Additionally, the study did not consider various indoor environmental factors, such as thermal stratification, ventilation, noise, wall color, and air quality, which could influence thermal sensation. The decision tree model’s accuracy may also be compromised due to the estimation of Predicted Mean Vote (PMV) values from incomplete data. Furthermore, the simplicity of the reading materials and quizzes, primarily composed of easy multiple-choice questions, may have introduced a ceiling effect, hindering the detection of subtle performance differences.
Moreover, the study lacked control over melanopic illumination, which may significantly impact non-visual responses beyond visible light alone. The melanopic illuminance levels for the two CCT conditions likely fell within saturated response zones, limiting the ability to discern differences in non-visual effects. The participant sample was also homogenous, consisting solely of healthy college students, which restricts the applicability of the findings to a wider population. Lastly, the influence of seasonal and environmental factors, along with the constraints of a controlled laboratory setting, may not adequately capture the complexities of real-world conditions.