照明设计工程中的眩光及其评价方法

浏览:717 发表时间:2018-08-03 09:19:12

  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(equivalent veiling luminance),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。图1 人眼与眩光  2 与眩光相关的名词释义 

 (1) 视野(visual field):  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(luminance contrast):  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)临界(阈值)对比度Ct(threshold contrast):  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(Visibility Level):  

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(discomfort glare):  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(disability glare):  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(direct glare):  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(disturbance glare):  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(glare by reflection):  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(comparison glare):  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(unified glare rating)UGR的计算:[5]        

  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0.1sr>ω>0.0003sr的情况;  (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(glare rating)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; 

 (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:  3.3 道路照明眩光评价的阈值增量TI  阈值增量(threshold increment)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/m2< Lb <5cd/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°< θ <60°)  阈值增量TI也可用专用的成像亮度计直接测得。  表1 阈值增量TI与Lv及Lav之间的关系表 单位:%  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:  (1)灯具和光源方面:  1)在C—γ系统中,C=0,γ=80°的***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***光强与C=0,γ=88°方向的***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:  4 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,从而降低眩光源在观察者眼中产生的等效光幕亮度。  (3)尽可能使视看目标与灯具发光面间的夹角增大。这涉及到灯具的合理布置问题。  (4)降低灯具发光面的亮度。  (5)设置科学的截光设施。  5 小结 

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