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成都檢測中心 教室眩光檢測標準及技術(shù)

本文詳細介紹了不同照明環(huán)境中眩光評價的國內(nèi)外標準以及眩光檢測技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀。目前室內(nèi)體育場館的眩光評價到底應(yīng)該采用UGR還是GR更為合理，建筑采光中窗戶造成的眩光應(yīng)該采用DGI還是DGP目前還沒有定論。成像亮度計雖然已經(jīng)逐步應(yīng)用到眩光的現(xiàn)場檢測中，然而其眩光結(jié)果是否和實際眩光程度相吻合還缺乏相應(yīng)的依據(jù)，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(nèi)辦公場所、體育場館等的廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)場照明環(huán)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(huán)境和燈具質(zhì)量評價的重要指標，如歐盟EN13201[1]規(guī)定了道路閾值增量TI的方法和評價指標，CIE147-2002[2]規(guī)定了室內(nèi)照明環(huán)境下根據(jù)燈具發(fā)光面大小或?qū)?yīng)的立體角大小下所應(yīng)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(nèi)標準如GB50033-2013[3]規(guī)定了窗的不舒適眩光采用DGI評價，GB50034-2013[4]統(tǒng)一采用UGR評價室內(nèi)眩光，CJJ45-2006[5]規(guī)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(shù)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(xiàn)逐步使眩光的現(xiàn)場成為可能。本文將從眩光的標準出發(fā)討論目前眩光存在的問題。


二、 眩光的國內(nèi)外標準


眩光根據(jù)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(huán)境，所采用的眩光評價方法也存在著區(qū)別：


國內(nèi)標準


國外標準


室外照明


道路照明


CJJ45-2006城市道路照明設(shè)計標準


EN13201


CIE140-2000


隧道照明


JTJ026.1-1999公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范


CIE88-2004


室外體育場館照明


JGJ153-2007體育場館照明設(shè)計及檢測標準


GB50034-2013建筑照明設(shè)計標準


CIE112-1994


EN12193


EN124 ** -2


室內(nèi)照明


室內(nèi)照明


GB50034-2013建筑照明設(shè)計標準


CIE117-1995 CIE146/147-2002


室內(nèi)采光


GB50033-2013建筑采光設(shè)計標準


BS8206-2：2008


室內(nèi)體育場館照明


JGJ153-2007體育場館照明設(shè)計及檢測標準


GB50034-2013建筑照明設(shè)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(guī)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(qū)域為駕駛員行駛方向水平向下0.5°到1.5°的路面區(qū)域，近似為當前路面60m到160m左右的路面區(qū)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(qū)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(qū)域路燈對計算結(jié)果的影響。


歐盟EN13201-3中關(guān)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(nèi)關(guān)于道路照明的標準為行業(yè)標準CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計標準》，與CIE和歐盟標準相比，國內(nèi)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(qū)別在于對隧道不同路段進行了區(qū)分，并且根據(jù)車流量和車速規(guī)定了相應(yīng)的亮度標準。白晝時需要洞外100m時視場20°范圍內(nèi)的平均亮度。進入洞內(nèi)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(guī)定需要測量洞外路面亮度，還需要測量洞內(nèi)左右兩側(cè)2m高范圍內(nèi)的墻壁亮度，左右兩側(cè)隧道墻壁的平均亮度至少要大于對應(yīng)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(qū)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(nèi)關(guān)于隧道照明的標準為行業(yè)推薦性標準JTG/T D70/2-01—2014[9]《公路隧道照明設(shè)計細則》，基于交通運輸部對原有的《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》進行了修訂和擴充，將照明設(shè)計規(guī)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(nèi)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(nèi)即可滿足要求。超過25%需要調(diào)整照明系統(tǒng)的設(shè)計。


2.3 體育場館照明


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


Lvl、Lve分別為燈具在觀察者眼睛上產(chǎn)生的光幕亮度和環(huán)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(shù)，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(shù)限制：訓練場地要求小于55，比賽場地（包括電視轉(zhuǎn)播）要求小于50。


歐盟的EN124 ** [11]” Light and lighting—Lighting ofwork places—part2：outdoor work places”規(guī)定了室外不同工作環(huán)境下的眩光評價指標，并且規(guī)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(nèi)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(nèi)體育場館，EN12193建議采用UGR作為眩光評價標準。室內(nèi)體育場館的標準值可以參考和EN124 ** -1（6.2.24）規(guī)定的相似的工作場景。


此外，不同體育項目的國際組織也規(guī)定了相應(yīng)的眩光指標，如國際足聯(lián)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(lián)和國際網(wǎng)球聯(lián)合會也要求場館的眩光GR≤50。


國內(nèi)關(guān)于體育場館眩光評價的行業(yè)標準為JGJ 153-2007[14]《體育場館照明設(shè)計及檢測標準》，與歐盟EN12193不同之處在于室內(nèi)體內(nèi)體育場館眩光仍然推薦采用GR的評價方法。由于室內(nèi)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(nèi)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(nèi)體育場館眩光評價等級和眩光指數(shù)值。


2.4室內(nèi)照明評價標準


室內(nèi)眩光屬于不舒適眩光，CIE117-1995[15]“Discomfort glare in interiorlighting”采用了統(tǒng)一眩光指數(shù)UGR作為室內(nèi)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(shè)計，不適用于采用間接照明和發(fā)光天棚的房間，室內(nèi)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(guī)定了不同室內(nèi)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(nèi)UGR的評價方法。


國標GB/T26 ** -2010[17]“室內(nèi)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(shè)計標準”規(guī)定了不同室內(nèi)工作場所采用UGR作為評價標準，室內(nèi)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(shè)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(jié)果上引進的，所以它只能有效的評估DGI數(shù)值在16到28范圍內(nèi)的眩光情況。它的結(jié)果通常會高于實際環(huán)境中的眩光值。國標GB50033-2013“建筑采光設(shè)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(jù)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(nèi)的一些研究機構(gòu)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(jīng)趨于完善。受限于測量技術(shù)的發(fā)展，對于眩光的現(xiàn)場評價直到*近兩年才成為現(xiàn)實。以室內(nèi)UGR為例我們來介紹一下眩光技術(shù)的發(fā)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(shù)


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(jié)果的影響）的方法，測量燈具在觀察者方向上的照度，根據(jù)照度、發(fā)光強度和亮度的轉(zhuǎn)換關(guān)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(jù)以下關(guān)系計算背景亮度


根據(jù)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(jù)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(shù)表得到p的值。


根據(jù)CIE計算方法，立體角、古斯位置指數(shù)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(xiàn)場測量幾乎是無法實現(xiàn)的。由于計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機模擬軟件可以根據(jù)燈具的配光曲線和IES文件得到燈具在觀察者方向上的發(fā)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(jù)室內(nèi)屋頂、強度、地面的反射率計算室內(nèi)的背景亮度，由此可以得到燈具的規(guī)則房間內(nèi)的理論UGR數(shù)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(xiàn)使光源亮度和背景亮度的現(xiàn)場測量成為可能。


點式亮度計內(nèi)部有不同的光闌控制測量視場的大小。測量時根據(jù)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(nèi)部。測量時選擇燈具發(fā)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(shù)需要根據(jù)燈具的尺寸和安裝位置（T/H/R）來確定。再根據(jù)光源亮度和背景亮度就可以實現(xiàn)室內(nèi)UGR的現(xiàn)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(xiàn)眩光的現(xiàn)場，然而由于室內(nèi)燈具較多，每個燈具都需要進行多次瞄點測量，整個室內(nèi)場所完成可能需要測量幾十上百次。然后再根據(jù)每個燈具的位置分別計算每個燈具產(chǎn)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(fā)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(huán)境的背景亮度，因此在結(jié)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(xiàn)現(xiàn)場照明環(huán)境的快速測量。


首先光源上某一點發(fā)出的光經(jīng)過成像亮度計的鏡頭成像在CCD對應(yīng)位置。物空間和像空間存在對應(yīng)關(guān)系。因此可以得到光源發(fā)光面每一點的亮度信息。通過圖像處理的算法將光源區(qū)域扣除可以直接得到整個環(huán)境的背景亮度。


在室內(nèi)眩光測量中，成像亮度計的測量視場應(yīng)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(nèi)照明環(huán)境進行測量，由于魚眼鏡頭采用特殊的畸變設(shè)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(shù)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(yīng)的直角坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為極坐標系統(tǒng)，并根據(jù)空間角度（θ，φ）來得到光源每個像素對應(yīng)的古斯位置指數(shù)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(nèi)如科涅邇光電推出的Kernel-70眩光亮度計雖然已經(jīng)逐步應(yīng)用到道路、隧道、體育場館和室內(nèi)照明等不同現(xiàn)場環(huán)境的眩光檢測中，然而根據(jù)JJG211-2005[22]“亮度計”檢定規(guī)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(yīng)的檢定規(guī)程進行檢測。因此成像亮度計的眩光結(jié)果是否和實際眩光程度相吻合還缺乏相應(yīng)的依據(jù)。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(jié)論


國內(nèi)外關(guān)于眩光的標準已經(jīng)日趨完善，然而在一些具體的照明環(huán)境，關(guān)于照明環(huán)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(nèi)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(nèi)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(shù)的發(fā)展和成熟，是否應(yīng)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(nèi)體育場館到底應(yīng)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(yīng)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(jié)果和理論計算結(jié)果想吻合，其測量速度和亮度精度的巨大優(yōu)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(xiàn)場評價的跨越式發(fā)展。

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