京津地區LED廣告屏的光侵擾模擬研究

汪亞江，李 娜，王 琛，張明宇

(天津大學，天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

引言

隨著城市建設快速發展，LED廣告屏得到了普遍的應用，隨之產生了其對周邊居住區居民光侵擾的問題。LED廣告屏光侵擾問題研究較為復雜，主要涉及亮度、瞬時變化、光色等多重因素的影響，根據為京津地區17處LED廣告屏的現場調研發現，居民最介意“LED廣告屏太亮了”“太晃眼了”對其的影響(約占30%)。因此，本文對LED屏的亮度侵擾進行模擬。

我們通過模擬軟件GWLE2015計算出居住建筑窗口的照度，通過窗口照度值是否滿足相關標準來判斷是否對居住區產生光侵擾，衡量是否超標的標準取值于《城市夜景照明設計規范》(JGJ/T 163—2008)，因為本文研究的范圍主要是商住混合區的LED廣告屏，該區域屬于E4區，綜合實際情況取值為25 lx。

1 模擬軟件、模擬方法及模型

1)模擬評價原則及模擬軟件。本文采用的模擬軟件GWLE2015是上海天喬科技有限公司基于建模軟件AutoCAD上研發的國內關于幕墻光環境分析的軟件，并二次開發了LED屏亮度侵擾模擬插件。其可以計算出受LED廣告屏侵擾窗口的平均照度。

2)模擬方法。采用的GWLE2015模擬軟件使用步驟如下：①SU建造建筑模型。還原LED屏周邊環境和建筑以及受侵擾的居住建筑。②在建筑模型上插入受侵擾的窗口。③創建LED廣告屏。可以自行設定LED廣告屏的亮度，尺寸等自身參數，調整距地面高度，與建筑的相對位置(包括角度和距離)等安裝位置參數。④計算窗口照度。通過選擇建筑窗口、LED顯示屏、遮擋物等相關現狀，軟件就能分析得出對應的建筑窗口照度。

3)典型模擬模型。通過改變LED廣告屏與居住區建筑窗口的水平夾角、垂直夾角、水平直線距離就能包括相對位置的所有情況，因此將典型居住建筑窗口模型簡化為單一窗口模型，通過設置LED屏本身參數，調整LED屏確定相對位置關系，便可以構成典型模擬模型，具體模型構建和流程如圖1所示。

圖1 典型模擬模型Fig.1 Typical simulation model

2 LED廣告屏光侵擾多因素模擬

居住建筑窗口照度會隨著LED廣告屏面積、亮度、與居住建筑水平夾角、與居住建筑垂直夾角以及距受侵擾建筑水平直線距離五個參數的變化而變化。通過模擬研究這些變量對窗口照度的共同影響趨勢，得出單一變量與窗口照度之間的關系。

2.1 模擬參數數值選取

單一因素模擬中將居住建筑的窗口尺寸定為1.5 m×1.5 m，五個變量具體取值根據前期調研分級如下。

1)LED廣告屏亮度取值。將LED屏亮度值在調研閾值之間按照等比數列進行分級，亮度劃分為65 cd/m2，195 cd/m2，585 cd/m2，1 755 cd/m2，5 265 cd/m2。

2)LED廣告屏面積取值。LED屏面積在數值上呈等比變化，邊長則呈等差變化。因此本次模擬LED屏面積分為48 m2,192 m2,432 m2,768 m2,1 200 m2五個等級，設定參數寬高比為4∶3，則寬高分別為8 m×6 m，16 m×12 m，24 m×18 m，32 m×24 m，40 m×30 m。

3)LED廣告屏距受侵擾建筑水平直線距離取值。水平直線距離取41 m，106 m，171 m，236 m，301 m這五個距離，滿足等差變化。

4)居住建筑窗口與LED屏水平夾角取值。為滿足夾角的等差變化和具體參數選擇范圍，水平夾角取值為0°，30°，60°這三個角度。

5)居住建筑窗口與LED屏垂直夾角取值。垂直夾角取值為0°，30°，60°這三個角度。

2.2 數據初步分析

通過模擬結果(表1)可知，模擬結果共1 125個，最大值為3 020.594 5 lx，最小值僅為0.001 1 lx。利用SPSS軟件可知，數據的標準偏差為221.378。說明數據較為分散，照度數據主要集中于100 lx以內，約占91.38%。

表1 數據統計結果Table 1 Data statistical results

2.3 相關性分析

利用統計學原理，探討單一模擬參數與居住建筑窗口照度之間的關系，用SPSS軟件進行相關性分析，對模型進行皮爾森相關系數檢驗，如果P值0.01

表2 各變量與窗口照度相關性分析Table 2 Correlation analysis of variable and window illumination

**——在0.01水平(雙側)上顯著相關

3 窗口照度與單一影響因素規律模擬及分析

3.1 LED屏亮度與窗口照度的關系

通過控制水平直線距離、LED廣告面積、水平夾角和垂直夾角，分析LED屏亮度與窗口照度的關系。

1)模擬參數值選取。控制變量的模擬參數取值根據調研數據選擇(表3)，LED屏水平直線距離、LED屏面積取值為其調研數據平均值，水平夾角和垂直夾角均取值均為0°。模擬自變量亮度參數數值按照等比數列分為以下21個等級：65，80.972 51，100.87，125.656 8，156.534 6，195，242.917 5，302.609 9，376.970 5，469.603 8，585，728.752 6，907.829 7，1 130.912，1 408.811，1 755，2 186.258，2 723.489，3 392.735，4 226.434，526 5(單位為cd/m2)。

表3 模擬參數表Table 3 Simulation parumeter

2)模擬結果及分析。模擬結果如圖2所示，窗口照度值隨著LED屏亮度值增加而增加，且趨勢相近，呈現顯著的相關性。

圖2 模擬結果Fig.2 Simulation result

為明確LED屏亮度與窗口照度的關系，對數據結果進行統計分析。如圖3所示，決定系數R2值為1，模型擬合效果良好。因此得出，LED屏亮度跟受侵擾窗口照度為線性關系，擬合方程為y=0.013 8x+4×10-5。

圖3 LED廣告屏亮度與窗口照度關系圖Fig.3 LED advertising screen brightness and window illuminance diagram

3.2 LED廣告屏面積與窗口照度的關系

通過控制LED廣告亮度、水平夾角、垂直夾角和水平直線距離，可以分析LED屏面積與窗口照度的相互關系。

1)模擬參數值選取。控制變量的模擬參數取值根據調研數據選擇(表4)，LED屏水平直線距離、LED屏亮度取值均為其調研數據平均值，垂直夾角和水平夾角取值均為0°。LED廣告屏面積參數數值按等比數列分為21個等級，取值分別為：48，69.12，94.08，122.88，155.52，192，232.32，276.48，324.48，376.32，432，491.52，554.88，622.08，693.12，768，846.72，929.28，1 015.68，1 105.92，1 200(單位為m2)。

表4 模擬參數表Table 4 Simulation parameter

2)模擬結果及分析。模擬結果如圖4所示，窗口照度值隨著面積值增加而增加。

圖4 模擬結果Fig.4 Simulation result

對模擬數據進行分析可知(圖5)，因此可以確定LED屏面積與窗口照度為線性關系，決定系數值為1，擬合曲線：y=0.036x+0.118 9。

圖5 LED廣告屏面積與窗口照度關系圖Fig.5 LED odvertising screen area and window illuonination diagram

3.3 LED廣告屏距窗口的水平直線距離與窗口照度的關系

通過控制LED屏亮度、面積、垂直夾角和水平夾角，分析水平直線距離與窗口照度的對應關系。

1)模擬參數值選取。控制變量的模擬參數取值根據調研數據選擇(表5)，LED屏亮度、面積取值為其調研數據平均值，LED屏距居民窗口的水平和垂直夾角均取值均為0°。LED屏距受侵擾窗口的水平直線距離參數數值按等差數列可以分為以下21個等級41，54，67，80，93，106，129，132，145，158，171，184，197，210，223，236，249，262，275，288，301(單位為m)。

表5 模擬參數表Table 5 Simulation parameters

2)模擬結果及分析。模擬結果如圖6所示， LED廣告屏到居民窗口的水平直線距離越遠，窗口照度值也就越低。

圖6 模擬結果Fig.6 Simulation result

對模擬數據進行分析可知，如圖7，LED屏到居民窗口的水平直線距離與受侵擾窗口照度為指數函數關系，利用SPSS軟件擬合可以得到擬合曲線：y=109.85e-0.014x。

圖7 LED廣告屏距窗口的水平直線距離與窗口照度關系圖Fig.7 LED advertising screen from the window of the horizontal line distance and window illumination diagram

3.4 LED廣告屏與窗口的水平夾角與窗口照度的關系

通過控制LED屏亮度、面積、LED屏與居住建筑窗口間的水平直線距離和垂直夾角，分析水平夾角與窗口照度的關系。

1)模擬參數值選取。LED屏亮度、LED屏面積、LED屏距居民窗口的水平直線距離均取值為調研數據平均值，垂直夾角均取值均為0°(表6)。LED屏距窗口的水平夾角參數數值按等差數列可以分為以下21個等級：0°，3°，6°，9°，12°，15°，18°，21°，24°，27°，30°，33°，36°，39°，42°，45°，48°，51°，54°，57°，60°。

表6 模擬參數表Table 6 Simulation parameter

2)模擬結果及分析。通過圖8可知，窗口照度值隨著水平角度的增加而逐漸降低，水平角度為0°時，窗口照度到達最大值，數值為10.943 6 lx。

圖8 模擬結果Fig.8 Simulation result

經過分析，得知LED屏與受侵擾建筑窗口間的水平夾角與受侵擾窗口照度之間的關系為二元一次方程，如圖9所示。曲線的擬合度較高，R2值為0.999 9，擬合方程為：y=-0.001 4x2-0.006 6x+10.977(R2=0.999 9)。

圖9 LED廣告屏與居民窗口水平夾角與窗口照度關系圖Fig.9 LED advertising screen and residents window horizontal angle and window illumination diagram

3.5 LED廣告屏與窗口的垂直夾角與窗口照度的關系

通過控制LED屏亮度、面積、LED屏與受侵擾建筑窗口間的水平直線距離和水平夾角，分析垂直夾角與窗口照度的對應關系。

1)模擬參數值選取。LED屏亮度、LED屏面積、LED屏距居民窗口的水平直線距離均取值為調研數據平均值，水平夾角均取值均為0°(見表7)。LED屏距窗口的垂直夾角參數數值按等差數列可以分為以下21個等級：0°，3°，6°，9°，12°，15°，18°，21°，24°，27°，30°，33°，36°，39°，42°，45°，48°，51°，54°，57°，60°。

表7 模擬參數表Table 7 Simulation parameter

2)模擬結果及分析。通過圖10可知，垂直角度為0°時，窗口照度到達最大值。通過數據可知受侵擾窗口照度值隨著垂直角度的增加而逐漸降低。

圖10 模擬結果Fig.10 Simulation result

經過統計可知，LED屏與居住建筑窗口間的垂直夾角和窗口照度呈現三元一次方程的關系，如圖11所示，擬合系數值為0.999 9，程度較高，方程為y=8×10-5x3-0.007 8x2+0.001 5x+10.963。

圖11 LED廣告屏與居民窗口垂直夾角與窗口照度關系圖Fig.11 LED advertising screen and residential windows vertical angle and window illumination diagram

4 總結

1)我們通過模擬軟件GWLE2015計算出居住建筑窗口的照度，通過窗口照度值是否滿足相關標準來判斷是否對居住區產生光侵擾，衡量是否超標的標準取值于《城市夜景照明設計規范》(JGJ/T 163—2008)，因為本文研究的范圍主要是商住混合區的LED廣告屏，該區域屬于E4區，綜合實際情況取值為25 lx。

2)對每個單一模擬參數與受侵擾建筑窗口照度進行相關性分析可知，LED屏亮度與居住建筑窗口照度顯著正相關，P=0.286；LED屏面積和窗口照度顯著相關，P值為0.180，表明兩者呈正相關； LED屏與受侵擾建筑窗口間的垂直夾角和水平直線距離與窗口照度值均成呈負相關，P值分別為-0.270和-0.160；而水平夾角和受侵擾窗口照度之間并沒有顯著的相關性。

3)構建控制變量的模擬模型，最終可知：

①LED屏亮度與受侵擾窗口照度為線性關系，擬合方程：y=0.013 8x+4×10-5(R2=1)。

②LED屏面積參數與受侵擾窗口照度的為線性關系，擬合曲線：y=0.036x+0.118 9(R2=1)。

③LED屏到受侵擾居民窗口的水平直線距離與受侵擾居民窗口照度為指數函數關系，擬合曲線：y=2 551.7e-0.013x(R2=0.944 5)。

④LED屏與受侵擾居住建筑窗口間的水平夾角與受侵擾窗口照度之間的關系為二元一次方程。擬合曲線：y=-0.001 4x2-0.006 6x+10.977(R2=0.999 9)。

⑤LED屏與受侵擾居住建筑窗口間的垂直夾角和受侵擾窗口照度呈三元一次方程的關系，擬合曲線：y=8×10-5x3-0.007 8x2+0.001 5x+10.963(R2=0.999 9)。

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