照明工程中的眩光及其评价方法

1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GlareandIt’sEvaluationMethodforLightingEngineeringRayChu(ShanghaiRayLightingDesignOffice,Shanghai200233)AbstractThepapermainlydealswithglareandit’sevaluationforlightingengineering,themethodstoreduceglareandincreasethecomfortoflighting.Keywords:glare;lightingquality;thresholdincrement;veilingluminance;glareevaluationvalue.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（equivalentveilingluminance），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。2图1人眼与眩光2与眩光相关的名词释义（1）视野（visualfield）：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（luminancecontrast）：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（3）临界（阈值）对比度Ct（thresholdcontrast）：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（VisibilityLevel）：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（discomfortglare）：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（disabilityglare）：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（directglare）：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（disturbanceglare）：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（glarebyreflection）：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（comparisonglare）：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（unifiedglarerating）UGR的计算：[5]4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0.1srω0.0003sr的情况；5（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（glarerating）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；6（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：GR不舒适眩光程度80严重刺眼70刺眼60略感晃眼50不舒服40略感不舒服30有轻微感觉3.3道路照明眩光评价的阈值增量TI阈值增量（thresholdincrement）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/m2Lb5cd/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°θ60°）阈值增量TI也可用专用的成像亮度计直接测得。7表1阈值增量TI与Lv及Lav之间的关系表单位：%LvLav0.050.100.150.200.250.300.350.400.450.501.003.256.509.7513.0016.2519.5022.7526.0029.2532.501.502.354.707.059.4011.7514.1016.4518.8021.1523.502.001.873.735.607.479.3311.2013.0714.9316.8018.672.501.563.124.686.257.819.3710.9312.4914.0515.613.001.352.704.055.406.758.109.4510.8012.1513.50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：阈值增量数据表0.05.010.015.020.025.030.035.00.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50Lv(cd/m2)TI(%)Lav=1.0Lav=1.5Lav=2.0Lav=2.5Lav=3.08（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：G眩光感受程度主观评价1无法忍受的眩光感觉很坏3有干扰的眩光感觉有些心烦5刚好容许的眩光可以接受7令人感觉满意感觉好9几乎感觉不到眩光感觉非常好94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