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成都檢測中心 教室眩光檢測標準及技術

本文詳細介紹了不同照明環境中眩光評價的國內外標準以及眩光檢測技術的發展和現狀。目前室內體育場館的眩光評價到底應該采用UGR還是GR更為合理，建筑采光中窗戶造成的眩光應該采用DGI還是DGP目前還沒有定論。成像亮度計雖然已經逐步應用到眩光的現場檢測中，然而其眩光結果是否和實際眩光程度相吻合還缺乏相應的依據，因此還需要進行大量的工作進行實驗和評估。

一、 研究背景


隨著LED在室外道路、室內辦公場所、體育場館等的廣泛應用，在現場照明環境中高亮LED造成的眩光的影響越來越突出。使得眩光成為照明環境和燈具質量評價的重要指標，如歐盟EN13201[1]規定了道路閾值增量TI的方法和評價指標，CIE147-2002[2]規定了室內照明環境下根據燈具發光面大小或對應的立體角大小下所應采用的眩光評價指標（小光源模型采用UGRs ** ll、大光源模型采用GGR，普通燈具大小采用UGR）。國內標準如GB50033-2013[3]規定了窗的不舒適眩光采用DGI評價，GB50034-2013[4]統一采用UGR評價室內眩光，CJJ45-2006[5]規定了道路的評價方法和評價指標。


雖然早在上世紀基于眩光理論的研究基本完善，但是由于測量技術的限制，早期的眩光測量是一項非常耗時耗力的復雜工程。而隨著點式亮度計和成像亮度計的出現逐步使眩光的現場成為可能。本文將從眩光的標準出發討論目前眩光存在的問題。


二、 眩光的國內外標準


眩光根據對人眼造成的視覺影響主要分為兩類：失能眩光和不舒適眩光。而針對不同的照明環境，所采用的眩光評價方法也存在著區別：


國內標準


國外標準


室外照明


道路照明


CJJ45-2006城市道路照明設計標準


EN13201


CIE140-2000


隧道照明


JTJ026.1-1999公路隧道通風照明設計規范


CIE88-2004


室外體育場館照明


JGJ153-2007體育場館照明設計及檢測標準


GB50034-2013建筑照明設計標準


CIE112-1994


EN12193


EN124 ** -2


室內照明


室內照明


GB50034-2013建筑照明設計標準


CIE117-1995 CIE146/147-2002


室內采光


GB50033-2013建筑采光設計標準


BS8206-2：2008


室內體育場館照明


JGJ153-2007體育場館照明設計及檢測標準


GB50034-2013建筑照明設計標準


EN12193


EN124 ** -1


2.1 道路照明標準


道路照明中的眩光評價主要采用閾值增量。在CIE 31-1976[6] "Glare and uniformity in streetlighting"中給出了閾值增量作為室外失能眩光評價的Holladay公式。CIE140-2000[7]”Road lighting calculations“中詳細規定了道路照明的測量方法：


1.駕駛員在行駛時眼睛高度為1.5m；


2.觀察區域為駕駛員行駛方向水平向下0.5°到1.5°的路面區域，近似為當前路面60m到160m左右的路面區域；


3.駕駛員觀察方向為視場水平方向向下1°；


4.路面亮度分析的布點方式為：路面分析區域小于等于30m時，縱向方向取樣點為10個，大于30m時取樣間隔大于3m，橫向為3列；


5.由于車窗上沿遮擋了人眼的視場，所以在進行眩光計算時，需要排除20°視場線以上的區域路燈對計算結果的影響。


歐盟EN13201-3中關于眩光TI的表達式為：


表示觀察者的視線與觀測者至第k個燈具中心的連線所形成的角度，角度范圍為1.5°到60°。路面亮度范圍為0.05 cd/m^2到5cd/m^2


歐盟標準對于TI計算除了以上的要求和CIE140-2000相同外，還對每個燈具對光幕亮度的貢獻做出了要求，每排燈具的范圍只延伸到500m，直到該排中一個燈具對光幕亮度的貢獻小于該排中前述燈具對光幕亮度總貢獻的2%。


國內關于道路照明的標準為行業標準CJJ45-2006《城市道路照明設計標準》，與CIE和歐盟標準相比，國內標準保留了照度的評價指標（平均照度和照度均勻性）


2.2 隧道照明評價標準


隧道照明和道路照明都是基于亮度作為評價標準，與道路照明的區別在于對隧道不同路段進行了區分，并且根據車流量和車速規定了相應的亮度標準。白晝時需要洞外100m時視場20°范圍內的平均亮度。進入洞內需要分別測量入口段、過渡段、中間段以及出口段的亮度。


CIE88-2004[8]“Guide for the lighting of road tunnels andunderpasses”除了規定需要測量洞外路面亮度，還需要測量洞內左右兩側2m高范圍內的墻壁亮度，左右兩側隧道墻壁的平均亮度至少要大于對應路面平均亮度的60%。


與道路照明相同，CIE還要求了隧道在過渡區和中間段的閾值增量小于15%，路面亮度低于5cd/m^2時，TI的計算公式和道路照明相同，路面亮度大于5cd/m^2時采用另一個TI計算公式


國內關于隧道照明的標準為行業推薦性標準JTG/T D70/2-01—2014[9]《公路隧道照明設計細則》，基于交通運輸部對原有的《公路隧道通風照明設計規范》進行了修訂和擴充，將照明設計規范部分獨立出來。該標準采用CIE88-2004了基于亮度的評價指標外，保留了照度的評價指標。唯一遺憾的是TI的評價指標沒有納入國內標準。


標準中對于洞外亮度精度的要求相對較低，亮度精度在±25%的范圍內即可滿足要求。超過25%需要調整照明系統的設計。


2.3 體育場館照明


體育場館分為室內場館和室外場館，CIE112-1994[10]“ Light and lighting.Lighting of work places. Indoor work places”規定了室外體育場館眩光評價采用眩光指數GR表示眩光程度，：


Lvl、Lve分別為燈具在觀察者眼睛上產生的光幕亮度和環境反射光形成的背景光幕亮度，GF代表泛光燈具的眩光控制指數，GF和GR的評價尺度分為9級，如下圖所示：


CIE還提出了室外體育場館*大眩光指數限制：訓練場地要求小于55，比賽場地（包括電視轉播）要求小于50。


歐盟的EN124 ** [11]” Light and lighting—Lighting ofwork places—part2：outdoor work places”規定了室外不同工作環境下的眩光評價指標，并且規定了GR測量時觀察者采用的視線方向（水平向下2°）。


1為觀察者的視線方向


2為眼睛接收的垂直面照度的平面


EN12193[12]“Light and lighting——Sports lighting”將體育場館的眩光評價分為兩種，室內體育場館和室外體育場館，室外體育場館采用CIE112-1994的眩光評價公式GR。


對于室內體育場館，EN12193建議采用UGR作為眩光評價標準。室內體育場館的標準值可以參考和EN124 ** -1（6.2.24）規定的相似的工作場景。


此外，不同體育項目的國際組織也規定了相應的眩光指標，如國際足聯FIFA[13]在2011年出版的“Football Stadium: Technical recommendations andrequirements”要求各級足球場眩光GR≤50；國際田聯和國際網球聯合會也要求場館的眩光GR≤50。


國內關于體育場館眩光評價的行業標準為JGJ 153-2007[14]《體育場館照明設計及檢測標準》，與歐盟EN12193不同之處在于室內體內體育場館眩光仍然推薦采用GR的評價方法。由于室內體育場館在背景亮度、光源立體角以及燈具布置方面與室外體育場館存在著很大的差異，室內體育場館的GR值要大大低于室外體育場館。所以JGJ153-2007以及GB50034推薦了室內體育場館眩光評價等級和眩光指數值。


2.4室內照明評價標準


室內眩光屬于不舒適眩光，CIE117-1995[15]“Discomfort glare in interiorlighting”采用了統一眩光指數UGR作為室內眩光的評價指標。UGR適用于簡單立方體形房間的一般照明裝置設計，不適用于采用間接照明和發光天棚的房間，室內光源要求在觀察者方向形成的立體角范圍為0.1≥sr≥0.0003


觀察者眼睛的高度坐姿為1.2m，站姿為1.7m


CIE147-2002“Glare from s ** ll,large and complex sources”定義了小光源、大光源和復雜光源的眩光計算模型。CIE S 008/E-2001[16]“Lighting ofindoor workplaces”和EN124 ** -1規定了不同室內工作場所的眩光評價指標。需要指出的是CIE和歐盟的標準對教育建筑中的“運動廳、體操房、游泳池”均采用室內UGR的評價方法。


國標GB/T26 ** -2010[17]“室內工作場所的照明”等同采用了CIE S 008/E-2001的標準。而國標GB50034-2013“建筑照明設計標準”規定了不同室內工作場所采用UGR作為評價標準，室內體育場館和室外體育場館均采用GR作為眩光評價標準。


2.5建筑采光評價標準


在建筑采光設計中，需要考慮由白晝窗戶引起的眩光。目前主要的評價方法有兩種：DGI和DGP。DGI*早是由Petherbridge和Hopkinson[18]在1950年提出的BGI公式改進而來，由于DGI的評價指標*早是從大面積人工光源結果上引進的，所以它只能有效的評估DGI數值在16到28范圍內的眩光情況。它的結果通常會高于實際環境中的眩光值。國標GB50033-2013“建筑采光設計標準”采用了DGI作為窗的不舒適眩光評價標準：


DGP的評價方法是由Wienold和Christoffersen[19]在2006年提出。其借助CCD成像亮度計，根據人眼對白晝眩光的主觀感覺和提出了窗的不舒適眩光改進公式DGP。目前國內的一些研究機構或大學也采用了DGP的評價方式，如西工大的馬智[20]等采用DGP的評價方法研究飛機駕駛艙的白晝眩光。同濟大學的李崢嶸[21]等采用DGP的評價方法研究辦公建筑的白晝眩光。


三、 眩光方法


雖然眩光理論研究在上個世紀已經趨于完善。受限于測量技術的發展，對于眩光的現場評價直到*近兩年才成為現實。以室內UGR為例我們來介紹一下眩光技術的發展。


CIE117-1995定義的UGR計算公式為：


Lb背景亮度


L：燈具在觀察者眼睛方向上的亮度


w為燈具在觀察者眼睛方向上形成的立體角


p為位置指數


3.1基于照度的測量方法


首先需要測量燈具到人眼觀察方向上的亮度，采用照度計和光闌（用于屏蔽背景光和其他燈具對結果的影響）的方法，測量燈具在觀察者方向上的照度，根據照度、發光強度和亮度的轉換關系計算得到觀察者方向上的亮度。


其次采用照度計測量人眼接收到的照度，減去上一步中得到的燈具照度，根據以下關系計算背景亮度


根據燈具的投影面積和觀察者到燈具中心的距離，計算得到燈具在人眼方向上的立體角。


根據燈具到人眼視線方向水平距離T、燈具到人眼的視線方向豎直距離H和人眼到燈具投影距離R，查找guth位置指數表得到p的值。


根據CIE計算方法，立體角、古斯位置指數相對容易確定，而采用照度計對光源亮度和背景亮度進行現場測量幾乎是無法實現的。由于計算機技術的發展，計算機模擬軟件可以根據燈具的配光曲線和IES文件得到燈具在觀察者方向上的發光強度和燈具的投影面積，計算光源在人眼投影方向上的亮度，根據室內屋頂、強度、地面的反射率計算室內的背景亮度，由此可以得到燈具的規則房間內的理論UGR數值。


3.2基于點式亮度計的評價方法


便攜式點式亮度計的出現使光源亮度和背景亮度的現場測量成為可能。


點式亮度計內部有不同的光闌控制測量視場的大小。測量時根據燈具的大小和燈具到觀察者眼睛的距離選擇合適的光闌，使亮度計的測量點位于燈具內部。測量時選擇燈具發光面的不同位置測量，燈具亮度取測量點的平均值。背景亮度分別測量屋頂、墻壁典型位置的亮度。


燈具的立體角、古斯位置指數需要根據燈具的尺寸和安裝位置（T/H/R）來確定。再根據光源亮度和背景亮度就可以實現室內UGR的現場測量。


目前點式亮度計如拓普康BM-7、美能達CS200和遠方LM-3瞄點式亮度計均可實現眩光的現場，然而由于室內燈具較多，每個燈具都需要進行多次瞄點測量，整個室內場所完成可能需要測量幾十上百次。然后再根據每個燈具的位置分別計算每個燈具產生的眩光。一般一個項目可能需要花費一整天的時間，此外因為點式亮度計是對整個燈具發光面取點采樣的方法進行測量。并不能完整地代表整個燈具的平均亮度和環境的背景亮度，因此在結果的重復性和準確性相對較差。


3.3基于成像亮度計的評價方法


成像亮度計由于可以同時獲得光源的亮度信息以及光源的位置信息，因此可以實現現場照明環境的快速測量。


首先光源上某一點發出的光經過成像亮度計的鏡頭成像在CCD對應位置。物空間和像空間存在對應關系。因此可以得到光源發光面每一點的亮度信息。通過圖像處理的算法將光源區域扣除可以直接得到整個環境的背景亮度。


在室內眩光測量中，成像亮度計的測量視場應滿足人眼的觀察視場（水平方向143°，豎直方向124°），因此需要采用大視場的魚眼鏡頭對室內照明環境進行測量，由于魚眼鏡頭采用特殊的畸變設計來獲取較大的視場，導致空間光源在通過魚眼鏡頭成像在CCD芯片上得到的坐標位置（x，y）與其在實際物體空間坐標位置(HTR)存在著很大差異，因此通過CIE117-1995標準通過查表法得到的古斯位置指數會存在加大的誤差。而眩光亮度計一般通過采用對魚眼鏡頭進行空間位置信息的校準，將每個像素對應的直角坐標系統轉換為極坐標系統，并根據空間角度（θ，φ）來得到光源每個像素對應的古斯位置指數和立體角。


（Kernel-70D拍攝于北京某單位地下室走廊）


目前國外如Technoteam的LMK-Mobile、國內如科涅邇光電推出的Kernel-70眩光亮度計雖然已經逐步應用到道路、隧道、體育場館和室內照明等不同現場環境的眩光檢測中，然而根據JJG211-2005[22]“亮度計”檢定規程，成像亮度計只采用光強燈和標準白板的方式檢測亮度精度，而其的視場均勻性和角度精度沒有對應的檢定規程進行檢測。因此成像亮度計的眩光結果是否和實際眩光程度相吻合還缺乏相應的依據。眩光測量的驗證和比對還需要大量的工作去實驗和評估。


二、 結論


國內外關于眩光的標準已經日趨完善，然而在一些具體的照明環境，關于照明環境評價指標和眩光的評價方法仍然存在著爭議，比如CIE和歐盟均舍棄了道路照明中的照度評價指標，國內CJJ45-2006在采用亮度的指標外還保留了照度的評價指標。另外對于體育場館，國內外標準均采用了照度作為場地照明和照明均勻性的評價指標，而鑒于亮度測量技術的發展和成熟，是否應當逐步將體育場館的照度評價方法過渡到基于亮度的評價方式上。另外對眩光的評價方法，室內體育場館到底應該采用UGR還是GR更為合理，建筑采光中窗戶的不舒適眩光應該采用DGI還是DGP目前都還沒有定論。而成像亮度計一旦在實際驗證中確認其眩光測量結果和理論計算結果想吻合，其測量速度和亮度精度的巨大優勢不僅可以促進由照度到亮度評價方法的進步，還可以推動眩光研究和現場評價的跨越式發展。

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