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照明工程中的眩光及其评价方法 2011/11/28 11:56:48
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  照明工程中的眩光及其评价方法

  初醒悟

  摘要:本文探讨了照明工程中的眩光及其评价,以及降低眩光,提高照明舒适度的方法。

  关键词:眩光;照明质量;阈值增量;光幕亮度;眩光评价值

  Glare and It’s Evaluation Method for Lighting Engineering

  Ray Chu

  (Shanghai Ray Lighting Design Office, Shanghai 200233)

  Abstract

  The paper mainly deals with glare and it’s evaluation for lighting engineering, the methods to reduce glare and increase the comfort of lighting.

  Keywords: glare; lighting quality; threshold increment; veiling luminance; glare evaluation value.

  1 引言

  出色的照明设计、先进的照明设备,让我们享受到了照明带给我们的舒适和便利。但眩光(glare)问题,一直是个令人十分头痛的问题。

  什么是眩光?为什么会产生眩光?怎样降低、甚至消除眩光呢?

  眩光:由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜,或存在极端的对比,以致引起不舒适的感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。[5]

  眩光是一种不良的视觉现象,它会使人感到刺眼,引起眼睛酸痛、流泪、视力降低,甚至可能会暂时失去视看能力。

  眩光使视觉功能降低的机理可以这样来理解:由眩光源发出来的光,在视网膜方向上散射,形成一个明亮的光幕,叠加在清晰的场景像上。这个光幕具有一个等效光幕亮度(equivalent veiling luminance),其作用相当于使背景亮度增加,对比度下降,使人产生眩光感,并且难以看清目标。

图1 人眼与眩光

  2 与眩光相关的名词释义

  (1) 视野(visual field):

  眼睛注视一个目标,注视点以外一定空间的物体也能看见,这个空间范围称为视野。视野分水平视野和垂直视野,反映人眼在水平方向和垂直方向的视认范围。

  静态下,双眼水平视野可达160度,垂直视野可达50度。而在运动的车辆中,驾驶员的动视野大小与车速有关。车速越快,注意点向远伸展,视野就越小,周围景物就难以看清楚。

  交通心理学研究表明,车速40km/h,水平动视野为100度;车速70km/h,水平动视野为65度;车速100km/h,水平动视野为40度。垂直动视野,即驾驶员视线在垂直方向的视认空间,通常为30度。

  受人眼视差和较差照明条件的影响,人眼在暗环境下对颜色的正确分辨能力是很差的。因此,视觉分辨能力取决于物体与其背景在亮度上的差异。一个物体只有在获得一定的亮度对比时才能被看见。

  (2) 亮度对比C(luminance contrast):

  C=⊿L/Lb =∣Lo-Lb∣/Lb

  式中,⊿L——识别对象亮度与背景亮度之差;

  Lo——识别对象亮度(cd/m2);

  Lb——背景亮度(cd/m2)。

  亮度对比有“正对比”和“负对比”之分。当物体亮度高于背景亮度时是正对比;当物体亮度低于背景亮度时是负对比。

  (3)临界(阈值)对比度Ct(threshold contrast):

  Ct = ⊿Lt /Lb

  式中,⊿Lt——临界亮度差,人眼刚能识别目标时目标与背景间的亮度差。

  (4)可见度水平VL(Visibility Level):

  目标与背景的实际亮度对比度C与临界对比度Ct的比值。

  VL=C/Ct=⊿L /⊿Lt

  眩光按影响程度分为不舒适眩光和失能眩光。

  (5)不舒适眩光(discomfort glare):

  是指在视野内使人们的眼睛感觉不舒适的眩光,但并不一定降低视觉对象的可见度。这种眩光也称为心理眩光。

  (6)失能眩光(disability glare):

  是在视野内使人们的视觉功能有所降低的眩光。它是一种会降低视觉对象的可见度,但并不一定产生不舒适感觉的眩光。

  眩光按其形成机理,分直接眩光、干扰眩光、反射眩光、对比眩光。

  (7)直接眩光(direct glare):

  由视野中,特别是在靠近视线方向存在的发光体所产生的眩光。

  (8)干扰眩光(disturbance glare):

  当非观看物体方向上存在发光体时,由该发光体引起的眩光。

  (9)反射眩光(glare by reflection):

  由视野中的反射引起的眩光,特别是在靠近视线方向看见反射像所产生的眩光。

  (10)对比眩光(comparison glare):

  光环境中存在着过大的亮度对比形成的眩光。

  3 眩光的评价方法

  到目前为止,针对室内环境、体育场馆、机动车道路等照明场合,人们已经总结出以下四种主要的眩光评价表达式:

  3.1 统一眩光值UGR

  统一眩光值(unified glare rating)UGR的计算:[5]

       

  式中,Lb——背景亮度(cd/m2);

  La——观察者方向每个灯具的亮度(cd/m2);

  ω——每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角(sr);

  P——每个单独灯具的位置指数。

  以上各参数应按下列公式和规定确定:

  1) Lb=Ei /π

  式中,Ei——观察者眼睛方向的间接照度(Lx)。

  2) La =Ia/A·cosα

  式中,Ia——观察者眼睛方向的灯具发光强度(cd);

  A·cosα——灯具在观察者眼睛方向的投影面积(m2);

  α——灯具表面法线与观察者眼睛方向所夹的角度(°)。

  3) ω=AP /r2

  式中,AP——灯具发光部件在观察者眼睛方向的表观面积(m2);

  r —— 灯具发光部件中心到观察者眼睛之间的距离(m)。

  4) 古斯位置指数P应按图2生成的H/R和T/R的比值由位置指数表确定。

图2 以观察者位置为原点的位置指数坐标

  系统(R,T,H),对灯具中心生成H/R和T/R的比值。

  统一眩光值UGR的应用条件:

  (1) UGR适用于简单的立方体形房间的一般照明装置设计,不适用于采用间接照明和发光天棚的房间;

  (2) 适用于灯具发光部分对眼睛所形成的立体角为0.1sr>ω>0.0003sr的情况;

  (3) 同一类灯具为均匀等间距布置;

  (4) 灯具为双对称配光;

  (5) 坐姿观测者眼睛的高度通常取1.2m,站姿观测者眼睛的高度通常取1.5m;

  (6) 观测位置一般在纵向和横向两面墙的中点,视线水平朝前观测;

  (7) 房间表面为大约高出地面0.75m的工作面、灯具安装表面以及此两个表面之间的墙面。

  3.2 眩光值GR

  室外体育场地的眩光值(glare rating)GR的计算:[5]

      

  式中,Lv1——由灯具发出的光直接射向眼睛所产生的光幕亮度(cd/m2);

  Lve——由环境引起直接入射到眼睛的光所产生的光幕亮度(cd/m2)。

  式中的各参数应按下列公式确定:

1)

      

  式中,Eeyei——观察者眼睛上的照度,该照度是在视线的垂直面上,由i个光源所产生的照度(Lx);

  θi——观察者视线与i个光源入射在眼睛上的方向所形成的角度(°);

  n——光源总数。

  2) Lve =0.035Lav

  式中,Lav——可看到的水平照射场地的平均亮度(cd/m2)。

  Lav =Ehorav · ρ/πΩ0

  式中,Ehorav——照射场地的平均水平照度(Lx);

  ρ——漫反射时区域的反射比;

  Ω0——1个单位立体角(sr)。

  眩光值GR的应用条件:

  (1) 本计算方法用于常用条件下,满足照度均匀度的室外体育场地的各种照明布灯方式;

  (2) 用于视线方向低于眼睛高度;

  (3) 看到的背景是被照场地;

  (4) 眩光值计算用的观察者位置可采用计算照度用的网格位置,或采用标准的观察者位置;

  (5) 可按一定数量角度间隔(5°……45°)转动选取一定数量观察方向。

  GR值与不舒适眩光程度对应关系:

  3.3 道路照明眩光评价的阈值增量TI

  阈值增量(threshold increment)是失能眩光的度量。表示为存在眩光源时,为了达到同样看清物体的目的,在物体及其背景之间的亮度对比所需要增加的百分比。[6]

  阈值增量是将平均路面亮度作为背景亮度。当背景亮度范围为0.05cd/m2< Lb <5cd/m2时,TI的计算公式近似为:

  TI=65Lv/Lav0.8(%)

  式中,TI—阈值增量(%);

  Lv—等效光幕亮度(cd/m2),假定观察者总是以与水平线成1°角注视与路轴平行的正前方(即一直注视其前方约86米路面上的一点);

  Lav—路面平均亮度(cd/m2)。

  等效光幕亮度Lv的计算公式:

  Lv=10∑(Eeyei/θi2)

  式中,Eeyei—第i盏灯具在观察者眼中的垂直照度(Lx);

  θi—第i盏灯具发光中心与观察者视线之间的夹角(°)。(1.5°< θ <60°)

  阈值增量TI也可用专用的成像亮度计直接测得。

  表1 阈值增量TI与Lv及Lav之间的关系表 单位:%

  高等级道路路面平均亮度Lav通常是1.0~2.0cd/m2,而阈值增量TI要求在10%以下,所以Lav为1.0cd/m2时,等效光幕亮度Lv不应大于0.15cd/m2。Lav为1.5cd/m2时,等效光幕亮度Lv不应大于0.20cd/m2。Lav为2.0cd/m2时,等效光幕亮度Lv不应大于0.25cd/m2。

  Lv是对所有与视看目标夹角成1.5度~60度的灯具的10Eeye/θ2求和,在灯具排布,即所有角度θ一定的情形下,Eeye越小越好。

  3.4 道路照明中的眩光控制等级G

  道路照明中,驾驶员所感受到的不舒适眩光,可以用眩光控制等级G来度量。G值与灯具本身的性质及布置情况有关。

  影响眩光控制等级G的因素包括:

  (1)灯具和光源方面:

  1)在C—γ系统中,C=0,γ=80°的绝对光强,即在平行于道路轴线的垂直面内,从灯具的最下点算起,80°方向的光强,即I80。

  2)C=0,γ=80°方向的绝对光强与C=0,γ=88°方向的绝对光强的比值,即I80/I88。

  3)从灯具垂直正下方起76°方向上所看到的灯具的发光面积,即F。

  4)所用光源的颜色系数,以C表示。当使用光源为低压钠灯时,C=0.4;高压钠灯时,C=0.1;高压汞灯时,C=-0.1;其他光源时,C=0。

  (2)设施布置方面:

  1)平均路面亮度,即Lav。

  2)水平视线(1.5m)距灯具的高度,即h’。

  3)每千米的灯具数量,即p。

  这些参数和眩光控制等级G之间有如下关系:[4]

  G=13.84-3.31logI80+1.3(log(I80/I88))1/2-0.08log(I80/I88)+1.29logF

  +0.97logLav+4.4logh’-1.46logp+C

  需要注意的是,上式中的各个参数只适合于下列范围:

  50cd≤I80≤7000cd;

  1≤I80/I88≤50;

  0.007m2≤F≤0.4m2;

  0.3cd/m2≤Lav≤7cd/m2;

  5m≤h’≤20m;

  20≤p≤100。

  眩光控制等级G与主观评价的关系:

  4 眩光控制的策略

  从以上诸多眩光评价公式,可以总结出眩光控制策略的方向:

  (1)提高视野中的背景亮度,因为眩光值一般与背景亮度成反比。但要通过提升系统照明效率来实现,而不是单纯增加电能消耗。

  (2)降低灯具在观察者眼中产生的垂直照度,从而降低眩光源在观察者眼中产生的等效光幕亮度。

  (3)尽可能使视看目标与灯具发光面间的夹角增大。这涉及到灯具的合理布置问题。

  (4)降低灯具发光面的亮度。

  (5)设置科学的截光设施。

  5 小结

  多数情形下,眩光会对照明效果产生负面影响,甚至直接导致照明设计方案的失败。我们的目标是:寻求既能够合理抑制眩光又可以高效利用光源光通量、提高能源的有效利用率的方案。因此,科学的照明设计就显得至关重要。

  参考文献

  [1] 杨春宇,刘锡成. 失能眩光对道路照明安全影响的研究. 《照明工程学报》2007.4

  [2] 于连栋等. 失能眩光机理的研究. 《合肥工业大学学报》(自然科学版). 2005.8

  [3] 李炳华,王玉卿 主编. 现代体育场馆照明指南. 中国电力出版社. 2004

  [4] 李铁楠编著. 城市道路照明设计. 机械工业出版社. 2007

  [5] GB50034-2004. 建筑照明设计标准. 中国建筑工业出版社. 2004

  [6] CJJ 45-2006. 城市道路照明设计标准. 中国建筑工业出版社. 2006

  注:本文发表于《2011年海峡两岸第十八届照明科技与营销研讨会论文集》,2011.11·贵阳

 

 

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