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成都检测中心 教室眩光检测标准及技术

成都检测中心 教室眩光检测标准及技术

本文详细介绍了不同照明环境中眩光评价的国内外标准以及眩光检测技术的发展和现状。目前室内体育场馆的眩光评价到底应该采用UGR还是GR更为合理,建筑采光中窗户造成的眩光应该采用DGI还是DGP目前还没有定论。成像亮度计虽然已经逐步应用到眩光的现场检测中,然而其眩光结果是否和实际眩光程度相吻合还缺乏相应的依据,因此还需要进行大量的工作进行实验和评估。


一、 研究背景


随着LED在室外道路、室内办公场所、体育场馆等的广泛应用,在现场照明环境中高亮LED造成的眩光的影响越来越突出。使得眩光成为照明环境和灯具质量评价的重要指标,如欧盟EN13201[1]规定了道路阈值增量TI的方法和评价指标,CIE147-2002[2]规定了室内照明环境下根据灯具发光面大小或对应的立体角大小下所应采用的眩光评价指标(小光源模型采用UGRs ** ll、大光源模型采用GGR,普通灯具大小采用UGR)。国内标准如GB50033-2013[3]规定了窗的不舒适眩光采用DGI评价,GB50034-2013[4]统一采用UGR评价室内眩光,CJJ45-2006[5]规定了道路的评价方法和评价指标。


虽然早在上世纪基于眩光理论的研究基本完善,但是由于测量技术的限制,早期的眩光测量是一项非常耗时耗力的复杂工程。而随着点式亮度计和成像亮度计的出现逐步使眩光的现场成为可能。本文将从眩光的标准出发讨论目前眩光存在的问题。


二、 眩光的国内外标准


眩光根据对人眼造成的视觉影响主要分为两类:失能眩光和不舒适眩光。而针对不同的照明环境,所采用的眩光评价方法也存在着区别:


国内标准


国外标准


室外照明


道路照明


CJJ45-2006城市道路照明设计标准


EN13201


CIE140-2000


隧道照明


JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范


CIE88-2004


室外体育场馆照明


JGJ153-2007体育场馆照明设计及检测标准


GB50034-2013建筑照明设计标准


CIE112-1994


EN12193


EN124 ** -2


室内照明


室内照明


GB50034-2013建筑照明设计标准


CIE117-1995 CIE146/147-2002


室内采光


GB50033-2013建筑采光设计标准


BS8206-2:2008


室内体育场馆照明


JGJ153-2007体育场馆照明设计及检测标准


GB50034-2013建筑照明设计标准


EN12193


EN124 ** -1


2.1 道路照明标准


道路照明中的眩光评价主要采用阈值增量。在CIE 31-1976[6] "Glare and uniformity in streetlighting"中给出了阈值增量作为室外失能眩光评价的Holladay公式。CIE140-2000[7]”Road lighting calculations“中详细规定了道路照明的测量方法:


1.驾驶员在行驶时眼睛高度为1.5m;


2.观察区域为驾驶员行驶方向水平向下0.5°到1.5°的路面区域,近似为当前路面60m到160m左右的路面区域;


3.驾驶员观察方向为视场水平方向向下1°;


4.路面亮度分析的布点方式为:路面分析区域小于等于30m时,纵向方向取样点为10个,大于30m时取样间隔大于3m,横向为3列;


5.由于车窗上沿遮挡了人眼的视场,所以在进行眩光计算时,需要排除20°视场线以上的区域路灯对计算结果的影响。


欧盟EN13201-3中关于眩光TI的表达式为:


表示观察者的视线与观测者至第k个灯具中心的连线所形成的角度,角度范围为1.5°到60°。路面亮度范围为0.05 cd/m^2到5cd/m^2


欧盟标准对于TI计算除了以上的要求和CIE140-2000相同外,还对每个灯具对光幕亮度的贡献做出了要求,每排灯具的范围只延伸到500m,直到该排中一个灯具对光幕亮度的贡献小于该排中前述灯具对光幕亮度总贡献的2%。


国内关于道路照明的标准为行业标准CJJ45-2006《城市道路照明设计标准》,与CIE和欧盟标准相比,国内标准保留了照度的评价指标(平均照度和照度均匀性)


2.2 隧道照明评价标准


隧道照明和道路照明都是基于亮度作为评价标准,与道路照明的区别在于对隧道不同路段进行了区分,并且根据车流量和车速规定了相应的亮度标准。白昼时需要洞外100m时视场20°范围内的平均亮度。进入洞内需要分别测量入口段、过渡段、中间段以及出口段的亮度。


CIE88-2004[8]“Guide for the lighting of road tunnels andunderpasses”除了规定需要测量洞外路面亮度,还需要测量洞内左右两侧2m高范围内的墙壁亮度,左右两侧隧道墙壁的平均亮度至少要大于对应路面平均亮度的60%。


与道路照明相同,CIE还要求了隧道在过渡区和中间段的阈值增量小于15%,路面亮度低于5cd/m^2时,TI的计算公式和道路照明相同,路面亮度大于5cd/m^2时采用另一个TI计算公式


国内关于隧道照明的标准为行业推荐性标准JTG/T D70/2-01—2014[9]《公路隧道照明设计细则》,基于交通运输部对原有的《公路隧道通风照明设计规范》进行了修订和扩充,将照明设计规范部分独立出来。该标准采用CIE88-2004了基于亮度的评价指标外,保留了照度的评价指标。唯一遗憾的是TI的评价指标没有纳入国内标准。


标准中对于洞外亮度精度的要求相对较低,亮度精度在±25%的范围内即可满足要求。超过25%需要调整照明系统的设计。


2.3 体育场馆照明


体育场馆分为室内场馆和室外场馆,CIE112-1994[10]“ Light and lighting.Lighting of work places. Indoor work places”规定了室外体育场馆眩光评价采用眩光指数GR表示眩光程度,:


Lvl、Lve分别为灯具在观察者眼睛上产生的光幕亮度和环境反射光形成的背景光幕亮度,GF代表泛光灯具的眩光控制指数,GF和GR的评价尺度分为9级,如下图所示:


CIE还提出了室外体育场馆最大眩光指数限制:训练场地要求小于55,比赛场地(包括电视转播)要求小于50。


欧盟的EN124 ** [11]” Light and lighting—Lighting ofwork places—part2:outdoor work places”规定了室外不同工作环境下的眩光评价指标,并且规定了GR测量时观察者采用的视线方向(水平向下2°)。


1为观察者的视线方向


2为眼睛接收的垂直面照度的平面


EN12193[12]“Light and lighting——Sports lighting”将体育场馆的眩光评价分为两种,室内体育场馆和室外体育场馆,室外体育场馆采用CIE112-1994的眩光评价公式GR。


对于室内体育场馆,EN12193建议采用UGR作为眩光评价标准。室内体育场馆的标准值可以参考和EN124 ** -1(6.2.24)规定的相似的工作场景。


此外,不同体育项目的国际组织也规定了相应的眩光指标,如国际足联FIFA[13]在2011年出版的“Football Stadium: Technical recommendations andrequirements”要求各级足球场眩光GR≤50;国际田联和国际网球联合会也要求场馆的眩光GR≤50。


国内关于体育场馆眩光评价的行业标准为JGJ 153-2007[14]《体育场馆照明设计及检测标准》,与欧盟EN12193不同之处在于室内体内体育场馆眩光仍然推荐采用GR的评价方法。由于室内体育场馆在背景亮度、光源立体角以及灯具布置方面与室外体育场馆存在着很大的差异,室内体育场馆的GR值要大大低于室外体育场馆。所以JGJ153-2007以及GB50034推荐了室内体育场馆眩光评价等级和眩光指数值。


2.4室内照明评价标准


室内眩光属于不舒适眩光,CIE117-1995[15]“Discomfort glare in interiorlighting”采用了统一眩光指数UGR作为室内眩光的评价指标。UGR适用于简单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,室内光源要求在观察者方向形成的立体角范围为0.1≥sr≥0.0003


观察者眼睛的高度坐姿为1.2m,站姿为1.7m


CIE147-2002“Glare from s ** ll,large and complex sources”定义了小光源、大光源和复杂光源的眩光计算模型。CIE S 008/E-2001[16]“Lighting ofindoor workplaces”和EN124 ** -1规定了不同室内工作场所的眩光评价指标。需要指出的是CIE和欧盟的标准对教育建筑中的“运动厅、体操房、游泳池”均采用室内UGR的评价方法。


国标GB/T26 ** -2010[17]“室内工作场所的照明”等同采用了CIE S 008/E-2001的标准。而国标GB50034-2013“建筑照明设计标准”规定了不同室内工作场所采用UGR作为评价标准,室内体育场馆和室外体育场馆均采用GR作为眩光评价标准。


2.5建筑采光评价标准


在建筑采光设计中,需要考虑由白昼窗户引起的眩光。目前主要的评价方法有两种:DGI和DGP。DGI最早是由Petherbridge和Hopkinson[18]在1950年提出的BGI公式改进而来,由于DGI的评价指标最早是从大面积人工光源结果上引进的,所以它只能有效的评估DGI数值在16到28范围内的眩光情况。它的结果通常会高于实际环境中的眩光值。国标GB50033-2013“建筑采光设计标准”采用了DGI作为窗的不舒适眩光评价标准:


DGP的评价方法是由Wienold和Christoffersen[19]在2006年提出。其借助CCD成像亮度计,根据人眼对白昼眩光的主观感觉和提出了窗的不舒适眩光改进公式DGP。目前国内的一些研究机构或大学也采用了DGP的评价方式,如西工大的马智[20]等采用DGP的评价方法研究飞机驾驶舱的白昼眩光。同济大学的李峥嵘[21]等采用DGP的评价方法研究办公建筑的白昼眩光。


三、 眩光方法


虽然眩光理论研究在上个世纪已经趋于完善。受限于测量技术的发展,对于眩光的现场评价直到最近两年才成为现实。以室内UGR为例我们来介绍一下眩光技术的发展。


CIE117-1995定义的UGR计算公式为:


Lb背景亮度


L:灯具在观察者眼睛方向上的亮度


w为灯具在观察者眼睛方向上形成的立体角


p为位置指数


3.1基于照度的测量方法


首先需要测量灯具到人眼观察方向上的亮度,采用照度计和光阑(用于屏蔽背景光和其他灯具对结果的影响)的方法,测量灯具在观察者方向上的照度,根据照度、发光强度和亮度的转换关系计算得到观察者方向上的亮度。


其次采用照度计测量人眼接收到的照度,减去上一步中得到的灯具照度,根据以下关系计算背景亮度


根据灯具的投影面积和观察者到灯具中心的距离,计算得到灯具在人眼方向上的立体角。


根据灯具到人眼视线方向水平距离T、灯具到人眼的视线方向竖直距离H和人眼到灯具投影距离R,查找guth位置指数表得到p的值。


根据CIE计算方法,立体角、古斯位置指数相对容易确定,而采用照度计对光源亮度和背景亮度进行现场测量几乎是无法实现的。由于计算机技术的发展,计算机模拟软件可以根据灯具的配光曲线和IES文件得到灯具在观察者方向上的发光强度和灯具的投影面积,计算光源在人眼投影方向上的亮度,根据室内屋顶、强度、地面的反射率计算室内的背景亮度,由此可以得到灯具的规则房间内的理论UGR数值。


3.2基于点式亮度计的评价方法


便携式点式亮度计的出现使光源亮度和背景亮度的现场测量成为可能。


点式亮度计内部有不同的光阑控制测量视场的大小。测量时根据灯具的大小和灯具到观察者眼睛的距离选择合适的光阑,使亮度计的测量点位于灯具内部。测量时选择灯具发光面的不同位置测量,灯具亮度取测量点的平均值。背景亮度分别测量屋顶、墙壁典型位置的亮度。


灯具的立体角、古斯位置指数需要根据灯具的尺寸和安装位置(T/H/R)来确定。再根据光源亮度和背景亮度就可以实现室内UGR的现场测量。


目前点式亮度计如拓普康BM-7、美能达CS200和远方LM-3瞄点式亮度计均可实现眩光的现场,然而由于室内灯具较多,每个灯具都需要进行多次瞄点测量,整个室内场所完成可能需要测量几十上百次。然后再根据每个灯具的位置分别计算每个灯具产生的眩光。一般一个项目可能需要花费一整天的时间,此外因为点式亮度计是对整个灯具发光面取点采样的方法进行测量。并不能完整地代表整个灯具的平均亮度和环境的背景亮度,因此在结果的重复性和准确性相对较差。


3.3基于成像亮度计的评价方法


成像亮度计由于可以同时获得光源的亮度信息以及光源的位置信息,因此可以实现现场照明环境的快速测量。


首先光源上某一点发出的光经过成像亮度计的镜头成像在CCD对应位置。物空间和像空间存在对应关系。因此可以得到光源发光面每一点的亮度信息。通过图像处理的算法将光源区域扣除可以直接得到整个环境的背景亮度。


在室内眩光测量中,成像亮度计的测量视场应满足人眼的观察视场(水平方向143°,竖直方向124°),因此需要采用大视场的鱼眼镜头对室内照明环境进行测量,由于鱼眼镜头采用特殊的畸变设计来获取较大的视场,导致空间光源在通过鱼眼镜头成像在CCD芯片上得到的坐标位置(x,y)与其在实际物体空间坐标位置(HTR)存在着很大差异,因此通过CIE117-1995标准通过查表法得到的古斯位置指数会存在加大的误差。而眩光亮度计一般通过采用对鱼眼镜头进行空间位置信息的校准,将每个像素对应的直角坐标系统转换为极坐标系统,并根据空间角度(θ,φ)来得到光源每个像素对应的古斯位置指数和立体角。


(Kernel-70D拍摄于北京某单位地下室走廊)


目前国外如Technoteam的LMK-Mobile、国内如科涅迩光电推出的Kernel-70眩光亮度计虽然已经逐步应用到道路、隧道、体育场馆和室内照明等不同现场环境的眩光检测中,然而根据JJG211-2005[22]“亮度计”检定规程,成像亮度计只采用光强灯和标准白板的方式检测亮度精度,而其的视场均匀性和角度精度没有对应的检定规程进行检测。因此成像亮度计的眩光结果是否和实际眩光程度相吻合还缺乏相应的依据。眩光测量的验证和比对还需要大量的工作去实验和评估。


二、 结论


国内外关于眩光的标准已经日趋完善,然而在一些具体的照明环境,关于照明环境评价指标和眩光的评价方法仍然存在着争议,比如CIE和欧盟均舍弃了道路照明中的照度评价指标,国内CJJ45-2006在采用亮度的指标外还保留了照度的评价指标。另外对于体育场馆,国内外标准均采用了照度作为场地照明和照明均匀性的评价指标,而鉴于亮度测量技术的发展和成熟,是否应当逐步将体育场馆的照度评价方法过渡到基于亮度的评价方式上。另外对眩光的评价方法,室内体育场馆到底应该采用UGR还是GR更为合理,建筑采光中窗户的不舒适眩光应该采用DGI还是DGP目前都还没有定论。而成像亮度计一旦在实际验证中确认其眩光测量结果和理论计算结果想吻合,其测量速度和亮度精度的巨大优势不仅可以促进由照度到亮度评价方法的进步,还可以推动眩光研究和现场评价的跨越式发展。

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