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成都檢測中心 教室眩光檢測標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)

本文詳細(xì)介紹了不同照明環(huán)境中眩光評價的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行大量的工作進(jìn)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(biāo)，如歐盟EN13201[1]規(guī)定了道路閾值增量TI的方法和評價指標(biāo)，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(biāo)（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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)。


雖然早在上世紀(jì)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(fù)雜工程。而隨著點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)出發(fā)討論目前眩光存在的問題。


二、 眩光的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)


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(biāo)準(zhǔn)


國外標(biāo)準(zhǔn)


室外照明


道路照明


CJJ45-2006城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)


EN13201


CIE140-2000


隧道照明


JTJ026.1-1999公路隧道通風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)


GB50034-2013建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)


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(biāo)準(zhǔn)


CIE117-1995 CIE146/147-2002


室內(nèi)采光


GB50033-2013建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)


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(biāo)準(zhǔn)


GB50034-2013建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)


EN12193


EN124 ** -1


2.1 道路照明標(biāo)準(zhǔn)


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(xì)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(dāng)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(diǎn)方式為：路面分析區(qū)域小于等于30m時，縱向方向取樣點(diǎn)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(jìn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(xiàn)小于該排中前述燈具對光幕亮度總貢獻(xiàn)的2%。


國內(nèi)關(guān)于道路照明的標(biāo)準(zhǔn)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，與CIE和歐盟標(biāo)準(zhǔn)相比，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)保留了照度的評價指標(biāo)（平均照度和照度均勻性）


2.2 隧道照明評價標(biāo)準(zhǔn)


隧道照明和道路照明都是基于亮度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，與道路照明的區(qū)別在于對隧道不同路段進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。白晝時需要洞外100m時視場20°范圍內(nèi)的平均亮度。進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)為行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)JTG/T D70/2-01—2014[9]《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》，基于交通運(yùn)輸部對原有的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行了修訂和擴(kuò)充，將照明設(shè)計規(guī)范部分獨(dú)立出來。該標(biāo)準(zhǔn)采用CIE88-2004了基于亮度的評價指標(biāo)外，保留了照度的評價指標(biāo)。唯一遺憾的是TI的評價指標(biāo)沒有納入國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。


標(biāo)準(zhǔn)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(xùn)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(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)。室內(nèi)體育場館的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)為JGJ 153-2007[14]《體育場館照明設(shè)計及檢測標(biāo)準(zhǔn)》，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(biāo)準(zhǔn)


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(biāo)。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(fù)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(biāo)。需要指出的是CIE和歐盟的標(biāo)準(zhǔn)對教育建筑中的“運(yùn)動廳、體操房、游泳池”均采用室內(nèi)UGR的評價方法。


國標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)。而國標(biāo)GB50034-2013“建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定了不同室內(nèi)工作場所采用UGR作為評價標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。


2.5建筑采光評價標(biāo)準(zhǔn)


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(jìn)而來，由于DGI的評價指標(biāo)*早是從大面積人工光源結(jié)果上引進(jìn)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(biāo)GB50033-2013“建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”采用了DGI作為窗的不舒適眩光評價標(biāo)準(zhǔn)：


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(jìn)公式DGP。目前國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)或大學(xué)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(jī)駕駛艙的白晝眩光。同濟(jì)大學(xué)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(jì)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(qiáng)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(jìn)行現(xiàn)場測量幾乎是無法實現(xiàn)的。由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)式亮度計的評價方法


便攜式點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)式亮度計如拓普康BM-7、美能達(dá)CS200和遠(yuǎn)方LM-3瞄點(diǎn)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(jìn)行多次瞄點(diǎn)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(fèi)一整天的時間，此外因為點(diǎn)式亮度計是對整個燈具發(fā)光面取點(diǎn)采樣的方法進(jìn)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(fù)性和準(zhǔn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(dǎo)致空間光源在通過魚眼鏡頭成像在CCD芯片上得到的坐標(biāo)位置（x，y）與其在實際物體空間坐標(biāo)位置(HTR)存在著很大差異，因此通過CIE117-1995標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行空間位置信息的校準(zhǔn)，將每個像素對應(yīng)的直角坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)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(qiáng)燈和標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)，國內(nèi)CJJ45-2006在采用亮度的指標(biāo)外還保留了照度的評價指標(biāo)。另外對于體育場館，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均采用了照度作為場地照明和照明均勻性的評價指標(biāo)，而鑒于亮度測量技術(shù)的發(fā)展和成熟，是否應(yīng)當(dāng)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(rèn)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(jìn)由照度到亮度評價方法的進(jìn)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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