基于天空亮度變化的建筑泛光照明亮度測(cè)試與分析研究

袁景玉，劉 寧，王 策，唐小波，郭英鵬，任 全

（河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津300401）

基于天空亮度變化的建筑泛光照明亮度測(cè)試與分析研究

袁景玉，劉 寧，王 策，唐小波，郭英鵬，任 全

（河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津300401）

在建筑立面泛光照明快速發(fā)展的過(guò)程中，存在過(guò)度亮化，光污染嚴(yán)重，能耗大等問(wèn)題，對(duì)此，文章在總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于建筑立面泛光照明相關(guān)規(guī)定、案例的基礎(chǔ)上，對(duì)入夜階段天空亮度和建筑立面泛光照明亮度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，總結(jié)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了建筑泛光照明亮度隨天空亮度變化曲線，為實(shí)現(xiàn)建筑立面亮度逐級(jí)變化提供指導(dǎo)建議。

天空亮度；建筑亮度；泛光照明；光污染

0 引 言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市夜景照明逐漸成為亮化、美化城市的標(biāo)簽，但是盲目亮化導(dǎo)致能耗增大，光污染嚴(yán)重。對(duì)此，許多專家學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，如CIE推薦了亮度水平：照明相對(duì)暗淡的區(qū)域（照明模糊或者較暗淡區(qū)域）應(yīng)為4 cd/m2，通常區(qū)域（大城市的市郊區(qū)域、城鎮(zhèn)區(qū)域）應(yīng)為6 cd/m2，比較亮的照明區(qū)域（在市中心的商業(yè)區(qū)、娛樂(lè)區(qū)）應(yīng)為12 cd/m2。北美照明工程協(xié)會(huì)建議被照?qǐng)龅睾蛨?chǎng)地周圍間的亮度比不應(yīng)大于20∶1，美國(guó)建筑能量標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)室外建筑照明功率進(jìn)行限制，規(guī)定建筑立面受照面積的限制值為2.69 W/m2。李奇峰對(duì)上海市的建筑立面泛光照明和周圍天空亮度進(jìn)行了測(cè)量，得到的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)定值。黃成對(duì)天津26處建筑泛光照明亮度進(jìn)行測(cè)量，只有3.8%的建筑立面泛光照明亮度低于3 cd/m2。通過(guò)這些研究，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注建筑立面泛光照明亮度過(guò)高的問(wèn)題。但大部分研究是針對(duì)固定天空亮度下的建筑夜景照明，而實(shí)際天空亮度隨時(shí)間、地點(diǎn)、季節(jié)、天氣情況等變化，尤其在太陽(yáng)落山到天空全黑的這段時(shí)間里，天空亮度的變化范圍很大，而固定的建筑立面泛光照明亮度與天空亮度的對(duì)比值并不能始終保持在適宜的范圍，也就是說(shuō)隨天空亮度的降低建筑立面的視覺(jué)亮度會(huì)越來(lái)越大。因此，研究天空背景亮度的變化規(guī)律和在變化的天空亮度背景下建筑立面泛光照明亮度的變化情況，從而指導(dǎo)建筑立面泛光照明亮度隨天空亮度的降低而變化，進(jìn)而改善建筑立面泛光照明亮度在夜晚過(guò)亮的問(wèn)題。這對(duì)改善夜景照明視覺(jué)效果、減少光污染、降低能耗和推動(dòng)綠色照明具有十分重要的意義。

文章通過(guò)對(duì)入夜階段天空亮度和建筑立面泛光照明亮度的測(cè)量，研究在隨時(shí)間變化的天空背景亮度下，建筑立面泛光照明亮度的變化情況，從而為建筑立面泛光照明的逐級(jí)變化提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 測(cè)量?jī)?nèi)容

1.1 測(cè)量區(qū)域的選取

為研究在入夜階段變化的天空亮度背景下建筑立面泛光照明亮度的變化情況，所選區(qū)域的天空背景應(yīng)盡量沒(méi)有干擾光線，即要選擇天空光亮度低的區(qū)域。河北工業(yè)大學(xué)北辰校區(qū)位于城市郊區(qū)，學(xué)校東側(cè)是城區(qū)，西側(cè)是高速路范圍，天空亮度受外來(lái)干擾影響較小，同時(shí)也能比較城區(qū)和郊區(qū)的天空亮度變化情況。

1.2 測(cè)量方案

2015年6月，選取河北工業(yè)大學(xué)百年紀(jì)念園塔樓進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)測(cè)量其周圍天空亮度。塔樓地勢(shì)高，周圍無(wú)遮擋，建筑照明方式采用典型的LED泛光照明，如圖1所示。

測(cè)量?jī)x器選用TOPCON BM－7A彩色亮度計(jì)，采用2°視野進(jìn)行測(cè)量。

圖1 河北工業(yè)大學(xué)百年紀(jì)念園塔樓

2 測(cè)量方法

2.1 天空亮度測(cè)量

以塔樓為中心，分別對(duì)塔樓的東南側(cè)和西北側(cè)這兩個(gè)方位進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)方位選取水平方向（0°）、與水平30°傾角、與水平60°傾角和垂直方向4個(gè)瞄準(zhǔn)方向，測(cè)量高度為1.5 m。

為研究天空亮度變化對(duì)建筑立面泛光照明亮度的影響，要求測(cè)量時(shí)天氣晴朗且從太陽(yáng)落山時(shí)分開(kāi)始，太陽(yáng)落山時(shí)間以中國(guó)氣象臺(tái)給出的時(shí)間為準(zhǔn)。

2.2 建筑物立面泛光照明亮度測(cè)量

塔樓分為三層，底層立面照明受內(nèi)部照明影響較大，故選擇二、三層立面泛光照明，塔樓對(duì)稱設(shè)計(jì)，選取6組測(cè)量點(diǎn)（圖2），然后取平均值。

3 測(cè)量結(jié)果分析

3.1 測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

將測(cè)量數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1、表2所示。

圖2 塔樓測(cè)量點(diǎn)

表1 6月2日塔樓北側(cè)的天空亮度和建筑亮度

表2 6月8日塔樓南側(cè)的天空亮度和建筑亮度

表1中的數(shù)據(jù)是6月2日在塔樓南側(cè)測(cè)得的靠近城市東南方向天空亮度，測(cè)量時(shí)太陽(yáng)落山時(shí)間為19：32，測(cè)量持續(xù)一個(gè)小時(shí)。表2數(shù)據(jù)則是6月8日在塔樓北側(cè)測(cè)量的西北方向郊區(qū)天空亮度，測(cè)量時(shí)太陽(yáng)落山時(shí)間為19：35，20：27測(cè)量結(jié)束。

為了更好地說(shuō)明天空亮度變化和建筑立面泛光照明亮度變化的關(guān)系，表1中建筑立面泛光照明在原有的控制開(kāi)關(guān)控制下開(kāi)啟，即19：55照明燈光開(kāi)啟，而表2中的建筑立面泛光照明在開(kāi)始測(cè)量時(shí)就已經(jīng)開(kāi)啟。

根據(jù)表1、表2中的數(shù)據(jù)得到了如圖3、圖4所示的關(guān)系圖。

圖3 6月2日天空亮度和建筑立面泛光照明亮度關(guān)系

圖4 6月8日天空亮度和建筑立面泛光照明亮度關(guān)系

3.2 測(cè)量結(jié)果分析

由表1，圖3可知在19：32～19：50這段時(shí)間，塔樓的照明亮度變化幅度比較大，隨著天空亮度的急劇降低而下降，19：55鐘樓照明燈光開(kāi)啟，立面亮度突然上升，之后隨著天空亮度的緩慢降低而平緩變化。

圖4所示是在測(cè)試開(kāi)始照明就已開(kāi)啟，在測(cè)試的整個(gè)階段其亮度變化相對(duì)圖3中的變化較平緩，但仍可以看出在19：35～19：57這一段時(shí)間中，塔樓的亮度也在緩慢降低，隨天空亮度影響而變化，20：00后建筑立面亮度基本保持不變。

從測(cè)量結(jié)果可以看出，從太陽(yáng)落山開(kāi)始的一小時(shí)內(nèi)，天空亮度變化很大，前后相差一萬(wàn)倍，且變化速度很快。為了得到良好的夜景效果，通常夜景照明燈光開(kāi)啟時(shí)天空背景亮度還很高，由上述分析，可知當(dāng)天空亮度比較高時(shí)，建筑照明對(duì)其立面亮度幾乎沒(méi)有影響，此時(shí)建筑立面的亮度主要來(lái)自于天空光。當(dāng)天空光亮度與建筑立面照明亮度相同時(shí)，建筑立面的亮度才主要受照明燈光的影響，因此，在天空背景亮度很高時(shí)將燈光照明開(kāi)啟是不合理的。為了在較亮的背景環(huán)境中達(dá)到良好的照明效果，照明燈光亮度設(shè)置較高且該亮度不變，但是，隨著背景環(huán)境變暗，對(duì)比度增加，在人們觀看時(shí)會(huì)覺(jué)得燈光亮度過(guò)亮，即視覺(jué)亮度增大，這樣破壞了原有的照明效果，并造成了大量的浪費(fèi)。因此，在天空亮度變化的同時(shí)，如果建筑照明亮度也隨之下降就能使兩者的對(duì)比度基本不變，這樣在保證照明效果的同時(shí)也能節(jié)能降耗。隨著照明技術(shù)的發(fā)展，LED智能調(diào)光系統(tǒng)已能完美實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)光，因此只要找到兩者的變化關(guān)系就能使建筑立面亮度與背景亮度對(duì)比保持不變，在降低了照明亮度的同時(shí)，也節(jié)約了能源，減少了光污染。

4 小 結(jié)

文章通過(guò)測(cè)量入夜階段的天空亮度和建筑立面泛光照明亮度，得到天空亮度和建筑立面泛光照明亮度變化關(guān)系曲線。由此可知從日落開(kāi)始到天空全黑這一階段，建筑立面的亮度主要取決于天空亮度，在天空亮度逐漸變暗的過(guò)程中，建筑立面泛光照明亮度也隨之不斷下降。這為建筑立面泛光照明開(kāi)啟時(shí)間提供了參考，同時(shí)利用這一變化規(guī)律可實(shí)現(xiàn)建筑立面泛光照明的實(shí)時(shí)性，指導(dǎo)適當(dāng)?shù)牧炼茸兓秶Ｔ谝訪ED光源為主的立面照明中，可通過(guò)LED智能調(diào)光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建筑立面泛光照明亮度逐級(jí)變化，對(duì)改善視覺(jué)效果、減少光污染、降低能耗具有重要意義。

［1］國(guó)際照明委員會(huì)技術(shù)委員會(huì)T.C.5—06.投光照明和室外裝飾照明［S］.光源與照明.1992：P13～20

［2］Exterior Linghting.North America Linghting handout.21.339～357

［3］ASHRAE STANDARD.Energy Standard for Building Except Low-Rise Residentinl Buildings.90.1～1999

［4］李奇峰，俞麗華，楊公俠，章海驄.上海市區(qū)環(huán)境亮度及建筑物泛光照明亮度調(diào)查［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（5）621～625

［5］黃成.泛光照明中光源光色與節(jié)能研究［D］.天津大學(xué)，2007

［6］劉鳴.城市照明中主要光污染的測(cè)量、實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)研究［D］.天津大學(xué)，2007

［7］劉蓓.中間視覺(jué)條件下弱對(duì)比、暗景觀的初步研究［D］.天津大學(xué)，2006

［8］倪孟麟，張英林.夜晚天空光色度測(cè)量——對(duì)照明節(jié)能的啟迪［C］//中國(guó)照明學(xué)會(huì)、臺(tái)灣區(qū)照明燈具輸出業(yè)同業(yè)公會(huì).海峽兩岸第二十屆照明科技與營(yíng)銷研討會(huì)專題報(bào)告文集，2013：12

［9］楊春宇.建筑物立面泛光照明亮度值確定方法研究［D］.重慶大學(xué)，2004

［10］路秋生.LED照明與相控調(diào)光控制［C］//中國(guó)照明學(xué)會(huì).2013年中國(guó)照明論壇—LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)、應(yīng)用與創(chuàng)新論壇論文集，2013

Test and Analysis of the Construction Flood Lighting Lum inance Based on the Change of Sky Brightness

YUAN Jingyu，LIU Ning，WANG Ce，TANG Xiaobo，GUO Yingpeng，REN Quan
（College of Architecture and Art Design，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，P.R.China）

in view of the building facade flood lighting in the process of rapid development，thereare toomuch problems such as lighting，light pollution is serious，on the basis of stahe of night sky brightness and facade illumination brightness test，summarizes the analysis of experimental data，the building flood lighting brightness change with the sky brightness curve，in order to realize building facade brightness change step by step guidance advice.

sky brightness；building brightness；flood lighting；light pollution

2015-11-10

袁景玉（1966－），男，教授，博士，主要從事建筑照明、采光及建筑物理環(huán)境研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)。