CIE 150《室外照明設施干擾光影響限制指南》修訂變化解析

李 媛，李鐵楠

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

引言

室外照明一方面滿足了夜間人們工作娛樂、安全安保、美化裝飾、廣告顯示的需求，另一方面也可能對周邊居民、道路使用者、觀光客、自然環境以及天文觀測產生不利影響。為了將室外照明的干擾影響限制在能夠接受的水平，國際照明委員會(CIE)第五分部TC5-28技術委員會編寫了《室外照明設施干擾光影響限制指南》(以下簡稱《指南》)，專門規定了室外照明環境影響的評價指標，并提出了相關指標的建議限值。本《指南》也是我國編制國家標準、行業標準和地方標準的重要依據和參考。《室外照明設施干擾光影響限制指南(第二版)》CIE 150:2017是對CIE 150:2003所作的修訂和更新，是該出版物的第二版，技術內容上有若干變化，本文從技術指標、推薦限值及計算測量等方面對兩版內容進行比較分析。

1 《指南》內容的變化

新版《指南》的主要內容包括：適用范圍；術語和定義；潛在的干擾光影響及其相關的照明技術指標；4設計、安裝、運行和維護；照明設計的證明文件；照明技術指標的計算；照明技術指標的測量；附錄。本次修訂內容的主要變化包括：

1)“術語和定義”刪除19項，保留2項，新增2項，共列舉了4項與上射光相關的術語，分別是上射光輸出比ULOR、下射光輸出比DLOR、上射光通比ULR、上射光通比UFR。

2)由于現階段難以量化照明對自然環境產生的影響，因此在“特定影響和相關照明技術指標”一節中刪除了照明對野生動、植物(植物、昆蟲、魚類、兩棲動物、爬行動物、鳥類、哺乳動物以及生態環境)和農作物、家畜特定影響的這部分內容，見表1。

3)指標的增刪。干擾光對交通系統使用者影響的技術指標保留了閾值增量，同時增加了光幕亮度；對天文觀測影響的技術指標保留了ULR，增加了UFR和近水平面的燈具光強I90°～110°兩個指標，見表1。

表1 兩版《指南》關于干擾光特定影響及相關照明技術指標比較Table 1 Comparison between both editions about specific effects and relevant light technical parameters

4)作為技術指標限值區分依據的環境亮度分區由4個增加至5個。6項技術指標的最大可允許值(限值)相應的做出調整。

5)計算的調整。閾值增量TI的計算方法改為光幕亮度Lv的計算方法；保留了出光面水平的固定式燈具的ULR的計算方法，刪除了照明設施ULR的計算方法；增加了UFR和I90°～110°兩項上射光的技術指標的確定方法，并針對道路功能照明、建筑景觀照明、體育場照明和室外場所照明給出了三種主要類型室外照明UFR的計算示例。

6)測量的發展。對應技術指標的增刪，將閾值增量測量改為對光幕亮度測量的規定。

7)增加了附錄C燈具在指定方向上光強最大允許值的推導；附錄D UFR公式的推導；附錄E地面反射比的確定方法，即如何現場測量漫反射表面的反射比。

2 修訂的重要技術內容

2.1 環境亮度分區

《指南》根據感受到的環境亮度進行了亮度分區。上一版中亮度分區共四級，分別為E1～E4；修訂后將E1區改為E0區，新增E1區,共分五級。亮度分區結合照明運行時段是窗戶垂直面照度、燈具指定方向上的光強、建筑立面亮度、標識亮度、上射光通比ULR、上射光通比UFR指標幾項指標限值區分的重要依據。各亮度分區的環境亮度及示例見表2。

表2 環境亮度分區Table 2 Environmental lighting zones

注：無論城市發展水平如何，重要的光學天文臺100 km內的所有場所都應遵循E1區或E0區的建議；運行中的城市光學天文臺30 km范圍內以及重要光學天文臺100～300 km范圍內的場所都應遵循E2區(或更高的E1區或E0區)的建議

2.2 燈具在指定方向上的光強Is

從觀察方向直接看明亮燈具，會造成干擾，分散注意力，甚至引起不適。燈具指定方向上的亮度可作為評價這種影響的指標，且用最大亮度Ls,max評價視野中明亮燈具眩光造成的干擾影響更有效、更準確。然而，由于亮度數據通常不能由燈具制造商提供，《指南》建議用指定方向上的發光強度來表征。但是CIE 150:2003規定的燈具指定方向上的最大光強不依賴于眩光源和觀察者之間的距離，所以CIE 150:2017用亮度最大可允許值按式(1)、式(2)[3]推導出燈具在指定方向上光強的最大可允許值，見表5。

(1)

(2)

其中：Ls,max——眩光源在相關立體角Ωs上的平均亮度最大可允許值，單位：cd/m2；

Is,max——眩光源光強最大可允許值，單位：cd；

Ωs——從觀察者位置看到的眩光源的立體角，單位：sr；

d——眩光源與觀察者位置之間的距離，單位：m;

k——用于確定Is,max限值的比例系數，根據環境亮度分區和運行時段按表3取值。

表3 用于確定眩光源光強最大可允許值的比例系數kTable 3 Proportionality factor k used to decide for the maximum permitted luminous intensity of technical light sources

Lb——眩光源的背景亮度(周圍的環境亮度)，單位：cd/m2；

Ap——從觀察者位置看到的眩光源的投影面積，單位為m2。

假設傳統燈具橢圓或圓形的出光面直徑平均值小于80 cm，那么根據燈具出光面大小得到一系列燈具組別，如表4所示，推導出每種燈具組別對應的典型面積[4]。

表4 確定用于規定光源光強最大允許值的典型面積Table 4 Determination of the representative area used for the specification of the maximum permitted luminous intensity of technical light sources

式(2)的適用范圍是0.10 cd/m2≤Lb≤10 cd/m2和10-7sr ≤Ωs≤ 10-2sr。如果測定的背景亮度小于0.10 cd/m2，那么計算時取Lb=0.10 cd/m2。表5是根據Lb=0.10 cd/m2計算得到的光強最大允許值。如果測定的背景亮度大于0.10 cd/m2，應按式(3)對光強最大可允許值Is,max進行修正。

(3)

表5中的這些Is,max限值取決于眩光源和觀察者之間的視看距離[5]以及燈具明亮部分在觀察方向上的投影面積Ap。因為眩光源通常是視野中可以看到的最奪目的物體，所以眼睛通常會不由自主地轉向眩光源，于是就把瞄準眩光源當做視線。指定方向是指視野中出現可能會對居民產生干擾光的明亮燈具表面，或從所在位置看去會持續不斷地出現這種視野，言外之意，不包括短暫出現或短期出現的眩光源。該表適用于每周多次開啟，每次超過1 h的持續照明。如果開燈時間較短或不頻繁，限值要求可能比表中的值要高，例如體育設施。這必須具體問題具體分析。

2.3 光幕亮度Lv

非道路照明設施對道路使用者(如機動車駕駛員、非機動車駕駛員、行人)或其他交通系統使用者的影響通常表現為明亮光源引起的失能眩光造成視看能力的下降。影響程度取決于使用者所適應的照明水平。目標與背景的對比度降低會使目標變得不明顯，甚至不可見，特別是當環境完全黑暗的時候。CIE 150:2003采用的技術指標是閾值增量(TI)，用來規定道路照明的眩光限制，且將CIE 115:2010規定的道路分級作為限值區分的依據。本次修訂增加了光幕亮度及其限值，見表6。表中指定的光幕亮度最大值是基于閾值增量(TI)最大允許值15%確定的。這些值適用于那些可能由照明設施引起可見度降低的重點特定位置和觀察方向。

表5 燈具指定方向上光強最大允許值(限值)Table 5 Maximum values for luminous intensity of luminaires in designated directions

注：若要達到表中限值為0 cd的要求，只能采用指定方向全截光型的燈具。

表6 非道路照明設施閾值增量和光幕亮度最大允許值Table 6 Maximum values of threshold increment and veiling luminance from non-road lighting installation

如果無法獲得光幕亮度，仍需進行合規評估時，那么應根據CIE 150—2017第7.4.2條對視野中每個燈具相關方向的光強進行測量，將實測值和初始設計計算基于的值進行比較。光幕亮度應按式(4)計算：

(4)

其中：Eeye,i——燈具在觀察者眼睛觀察方向平面法線上形成的照度(初始值)，單位：lx;

θi——視線和燈具中心之間的夾角;

n——待測燈具的數量;

k——根據觀察者年齡變化的常數。23歲觀察者的k值通常取10。其他年齡的k值可根據式(5)計算。

(5)

其中AO為觀察者的年齡。

評估非道路照明設施對鄰近道路的機動車駕駛員和行人的影響時，假定的觀測條件與上一版比較沒有變化，包括對司機的眼睛高度、視線方向以及視野的規定。應按CIE 132—1999假設的車輛擋風玻璃形成的遮光角確定視野中需測算的非道路照明設施。駕駛員眼睛的高度應在路面上方1.5 m處，且駕駛員的視線應與道路的中心線平行，相對于路面平面向下1°。

評估照明設施對鐵路、航空等其他交通信號系統使用的影響，應建立適用于各種交通系統行進路線和視看方向的標準觀測條件，建立的這些觀測條件應向有關交通運輸部門(如道路、海運、水運、鐵路或航空)和專家咨詢確定。如果有類似航空管理局發布的適用于室外照明對航空導航影響的規定，這種法律規定也可以采用。

上版標準指出沒有一種儀器設備可以直接測量閾值增量TI，本版標準則表示光幕亮度Lv可以通過使用CCD成像亮度計測算得到。

2.4 上射光通比UFR

CIE 150:2003采用ULR作為限制天空光的技術指標，《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2015)和《城市夜景照明設計規范》(JGJ 163—2008)也采用。ULR是指燈具安裝就位后，燈具或照明設施在水平面及以上發出的光通量和總光通量之比，這是針對一個燈具實際安裝定義的應用技術指標，考慮了燈具傾角的影響。

UFR(符號RUF)是此次修訂新增的一項反映上射光的技術指標，其限值如表7所示。 ULR、UFR的英文全稱分別為 upward light ratio，upward flux ratio，中文均有“上射光通比”之意。相較而言，ULR是限制天空光最簡化的指標，只考慮了燈具直接向上發出的光通量，既沒把照明設施作為一個整體，也沒有考慮燈具發出的由被照面向上反射的那部分光。而UFR將這些方面都考慮在內，是對ULR的補充。

表7 照明設施(包含四套及以上燈具)上射光通比最大值Table 7 Maximum values of upward flux ratio of installation (of four or more luminaires)

UFR定義如式(6)所述，是實際上射光通量與假設的最小上射光通量之比。

(6)

其中ΦUP,max為實際上射光通量；ΦUP,min為理想條件下最小上射光通量。

實際上射光通量是指所有燈具直接發出的，被照面反射的，周圍非被照區域表面反射的溢散光在水平面以上產生的光通量之和；假設燈具沒有直接輻射到水平面以上的光，且所有光都照向被照面且照度恰好達標，這種理想條件下的上射光通量最小。根據定義式(6)推導出計算式(7)。

(7)

RULO,α——燈具安裝傾斜角α時的上射光輸出比;

RDLO,α——燈具安裝傾斜角α時的下射光輸出比;

ρ1——參考面的平均反射比;

ρ2——周圍環境的平均反射比;

u——照明設施對參考面S的利用系數。

圖1 道路照明UFR計算用參數Fig.1 Parameters for the calculation of UFR for a road lighting situation

(8)

其中，Wc為車行道寬度;Wα為車行道兩側相同的相鄰區域寬度。

現場測量不了ULR和UFR。如果需要進行合規評估，應注明燈具類型和瞄準角度，以確定燈具在特定情況下是否滿足表7中所規定的限值。

2.5 近水平面的燈具光強I90°～110°

此次修訂提出天文臺周邊除了要限制ULR和 UFR以外，燈具在90°～110°范圍內的光強(I90°～110°)同樣也應受到限制，不同角度范圍的光強限值見表8。這是因為水平面上方90°～110°范圍內發出的光對造成天文臺周邊的天空光來說最為關鍵，如果假設光學天文臺的位置距離照明設施20 km以上，在晴朗的天空條件下光的最大影響是由接近水平面的方向(主要是90°～110°)輻射的那部分光造成的，因為光沿著近水平、長距離的路徑穿過大氣層，并在這條路徑上產生散射，從而會在很遠的距離上形成天空光[6-9]。

表8 燈具在90°～110°范圍內的光強最大可允許值Table 8 Maximum values of luminous intensities in the zone between 90° and 110°

在實驗室測量照明設施使用的特定類型燈具的配光，可從中獲取這一角度范圍的光強。

3 總結

《指南》修訂前后內容變化表明：

1)采用與眩光源和觀察者位置之間距離相關的指定方向上的發光強度(I)來表征視野中明亮燈具造成的眩光影響更有效、更準確；

2)在上射光參數中，ULR適合作為照明設計階段燈具選型用技術指標，UFR更適合作為綠色照明環保指標對工程項目進行評價；

3)隨著LED照明和智能控制技術的快速發展，其在建筑和引導標識上應用于室外展示越來越普遍，對于動態變化的閃爍(flicker)等引起的干擾問題，此次修訂尚未提出相關的技術指標；

4)我國早在20世紀90年代就已研發出用于體育場館照明、道路照明的眩光測試儀，因此閾值增量TI、光幕亮度Lv均可實現測算。