室內(nèi)天然采光和人工光源照明場(chǎng)景不舒適眩光測(cè)量方法研究

張曉穎 ZHANG Xiao-ying；田甜 TIAN Tian

（陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，西安 710065）

0 引言

天然光環(huán)境是人們長(zhǎng)期習(xí)慣和喜愛的工作環(huán)境，人類長(zhǎng)期進(jìn)化以來，人眼對(duì)天然光已經(jīng)形成了很好的適應(yīng)機(jī)制，天然光比人工光更能滿足人的生理及心理需求。在建筑設(shè)計(jì)中，天然光通常是室內(nèi)照明首選光源，但是它具有不均勻性、容易產(chǎn)生眩光等特性，在僅有天然采光時(shí)，遠(yuǎn)離窗戶區(qū)域照度較低，常需要人工光源補(bǔ)光。優(yōu)秀的室內(nèi)照明設(shè)計(jì)應(yīng)按照采光最優(yōu)，眩光危害最輕的思路來設(shè)計(jì)，既要為室內(nèi)提供足夠光線，又要確保光環(huán)境的舒適性，還能夠節(jié)約能源。

眩光是衡量照明環(huán)境舒適性和評(píng)價(jià)照明質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。眩光一般來源于側(cè)窗，陽光直射會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域過亮，直接照射或間接反射導(dǎo)致眩光。目前國內(nèi)研究重點(diǎn)都考慮燈具產(chǎn)生的直接眩光和眩光測(cè)量方法，朱王尊等人研究了瞄點(diǎn)式亮度計(jì)和成像式亮度計(jì)測(cè)眩光方法的比較，得出成像式亮度計(jì)測(cè)量能減小誤差的結(jié)論[1]；康品春對(duì)不同照明環(huán)境中眩光評(píng)價(jià)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)以及檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀做了詳細(xì)介紹[2]。室內(nèi)照明在白天以天然光照明為主，人工光源照明為輔，晚上只用人工光源照明。針對(duì)室內(nèi)天然采光和人工光源照明相結(jié)合產(chǎn)生的眩光研究相對(duì)較少。本文綜合考慮兩方面因素對(duì)照明質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先對(duì)眩光理論進(jìn)行了闡述；其次采用對(duì)比方法，研究在開燈和不開燈兩種情況下照度、統(tǒng)一眩光UGR（Unified Glare Rating） 和窗的不舒適眩光DGI（Daylight Glare Index）變化情況，驗(yàn)證了室內(nèi)照明燈具常亮，依然是大部分人辦公區(qū)域和居家的常用模式。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給出不同照明場(chǎng)景下眩光評(píng)價(jià)建議，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照明眩光測(cè)量評(píng)價(jià)和減少眩光影響具有積極意義。

1 室內(nèi)照明場(chǎng)所的眩光和照度

1.1 眩光及其來源

眩光是由于視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜，或存在極端的對(duì)比，以致引起不舒適的感覺或降低觀察細(xì)部或目標(biāo)的能力的視覺現(xiàn)象。長(zhǎng)期生活在眩光嚴(yán)重的照明環(huán)境中，不但會(huì)降低工作效率，且不利于身心健康。眩光形成的主要原因：眩光源發(fā)出的散射光進(jìn)入人眼后，形成光幕疊加在視網(wǎng)膜上，光幕會(huì)降低環(huán)境與目標(biāo)物體的對(duì)比度，減緩人眼的反應(yīng)速度，使人眼難以看清目標(biāo)。眩光分為不舒適眩光和失能眩光。不舒適眩光主要發(fā)生在建筑室內(nèi)照明環(huán)境，失能眩光常見于室外環(huán)境。室內(nèi)照明場(chǎng)所不舒適眩光，主要來源于天然光和人工光源引起的直接眩光和反射眩光，不舒適程度評(píng)估是照明舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要組成部分。

1.2 工作面水平照度

室內(nèi)照明環(huán)境某一點(diǎn)從天空獲得的直射光的量，取決于在該點(diǎn)通過窗戶所看到的天空的面積。距離窗戶越遠(yuǎn)，該點(diǎn)的照度就越小，反之亦然。GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第4.0.8 條款規(guī)定側(cè)面采光時(shí)，辦公建筑的辦公室、會(huì)議室，采光等級(jí)為III 級(jí)，室內(nèi)天然光工作面水平照度標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)低于450lx[3]。GB 50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第5 章規(guī)定，辦公建筑中普通辦公室照明標(biāo)準(zhǔn)值300lx[4]。對(duì)于側(cè)窗采光的室內(nèi)場(chǎng)所，由于照度變化很大，較難做到視野范圍內(nèi)照度均勻。我國的建筑多數(shù)開窗面積并不小，但采光條件差，主要原因：一是對(duì)采光的窗戶未進(jìn)行定期的擦洗和維修，致使玻璃污染嚴(yán)重，透光率很低；二是建筑設(shè)計(jì)室內(nèi)景深較大，遠(yuǎn)離窗戶的區(qū)域照度較低。因此白天辦公區(qū)域和居家環(huán)境大部分時(shí)候都要開燈，以彌補(bǔ)光線不足的缺陷。

2 室內(nèi)不舒適眩光的評(píng)價(jià)方法

室內(nèi)眩光屬于不舒適眩光，常見的方法有：國際照明委員會(huì)（CIE）提出的統(tǒng)一眩光評(píng)價(jià)UGR；英國提出窗的不舒適眩光指數(shù)DGI，我國國家標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合英國DGI 分級(jí)方式，調(diào)整了DGI 值評(píng)價(jià)范圍。眩光指數(shù)評(píng)價(jià)范圍見表1。

表1 眩光指數(shù)評(píng)價(jià)范圍

2.1 窗的不舒適眩光DGI

天然光眩光的評(píng)價(jià)指標(biāo)為窗的不舒適眩光指數(shù)DGI，又稱為白晝天然光眩光指數(shù)，適用于窗戶一類的大面積自然采光眩光源，特指由窗引起的不舒適眩光。GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》提出使用DGI 作為我國天然光眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)，并按照采光等級(jí)劃分。辦公建筑的辦公室、會(huì)議室，采光等級(jí)為III 級(jí)，DGI 不應(yīng)高于可接受值25。DGI 按公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Ls—窗亮度，通過窗所看到的天空、遮擋物和地面的加權(quán)平均亮度，cd/m2；

Lb—背景亮度，觀察者視野內(nèi)各表面的平均亮度，cd/m2；

ω—窗對(duì)計(jì)算點(diǎn)形成的立體角，sr；

Ω—窗對(duì)計(jì)算點(diǎn)形成考慮窗位置修正的立體角，sr。

2.2 人工光源眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)UGR

人工光源的眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)常用統(tǒng)一眩光值（UGR），主要是針對(duì)于小的、靜態(tài)的人工光源的眩光，UGR 表征了照明裝置發(fā)出的光對(duì)人眼造成不舒適感主觀反應(yīng)的心理參量。GB 50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定公共建筑和工業(yè)建筑常用房間或場(chǎng)所的不舒適眩光應(yīng)采用統(tǒng)一眩光值（UGR）評(píng)價(jià)，且最大允許值不超過相應(yīng)規(guī)定。UGR 并不是測(cè)試、計(jì)算、評(píng)價(jià)某一燈具的不舒適眩光程度的值，而是評(píng)價(jià)要測(cè)試的整個(gè)照明空間所有照明燈具引起的不舒適眩光值。眩光等級(jí)是區(qū)間量表，介于10～30，數(shù)值越大感受越不舒適。室內(nèi)照明的UGR 測(cè)試方法，適用于雙對(duì)稱配光燈具，視線應(yīng)水平朝前觀測(cè)，測(cè)量高度為坐姿取1.2m，站姿取1.5m。當(dāng)測(cè)試中的光源發(fā)光部分面積在0.005m2＜S＜1.5m2范圍時(shí)，按公式（2）計(jì)算對(duì)應(yīng)的眩光值。

隨著虎豹集團(tuán)規(guī)模的擴(kuò)大以及行業(yè)地位的提高，企業(yè)迅速擴(kuò)張的背后也出現(xiàn)了資金大額短缺、存貨大量積壓、績(jī)效評(píng)價(jià)脫離戰(zhàn)略愿景、團(tuán)隊(duì)目標(biāo)管理建設(shè)不完善等方面的問題。究其主要原因在于服裝企業(yè)過于追求短期績(jī)效，缺乏持續(xù)、創(chuàng)新的管理理念。因此，探索虎豹集團(tuán)的創(chuàng)新績(jī)效管理模式具有重要的研究?jī)r(jià)值。

式中：

Lb—背景亮度，cd/m2；

L—觀察者眼睛方向上每一個(gè)燈具發(fā)光部分的亮度，cd/m2；

ω—觀察者眼睛中每一個(gè)燈具發(fā)光部分的立體角，sr；

p—每一個(gè)燈具的古斯位置指數(shù)（相對(duì)于視線的位移）。

2.3 不舒適眩光測(cè)量方法

對(duì)于室內(nèi)照明現(xiàn)場(chǎng)眩光值的測(cè)量，依據(jù)GB/Z 26212-2010《室內(nèi)工作環(huán)境的不舒適眩光》[5]，有兩種測(cè)試方法：一種為瞄點(diǎn)式亮度計(jì)測(cè)量法，使用瞄點(diǎn)式亮度計(jì)、激光測(cè)距儀等設(shè)備，測(cè)量每一個(gè)燈具發(fā)光面面積、燈具位置信息等，計(jì)算眩光值；另一種為成像式亮度計(jì)測(cè)量法，測(cè)量原理是眩光源亮度與其對(duì)應(yīng)像素的亮度響應(yīng)成正比，通過閾值判定，選擇背景亮度，眩光源的發(fā)光尺寸與其在亮度圖像上占據(jù)的像素區(qū)域面積成像對(duì)應(yīng)，眩光源與觀察方向相對(duì)位置角度通過對(duì)應(yīng)像素與中心像素點(diǎn)的偏離以及鏡頭的焦距計(jì)算得到，最終計(jì)算出眩光值。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，更多采用成像亮度計(jì)測(cè)量方法，不僅能減少人為測(cè)量誤差，還能快速、準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性較高。

3 照度和不舒適眩光測(cè)量過程及結(jié)果

3.1 測(cè)量場(chǎng)景和條件

測(cè)量場(chǎng)景：辦公室長(zhǎng)9.2m，寬6m，有2 個(gè)南向窗戶，側(cè)窗采光。室內(nèi)靠窗戶放置2 張辦公桌，靠北墻放置2 張辦公桌，桌高0.75m。室內(nèi)頂棚均勻嵌入4 個(gè)方形格柵熒光燈。

測(cè)量設(shè)備：照度計(jì)（型號(hào)ST-80C），基于成像式亮度計(jì)原理且魚眼鏡頭為EF8-15mm 的GM-1200 型號(hào)眩光測(cè)量?jī)x。

測(cè)量程序：先關(guān)閉辦公室照明燈具，僅在天然采光條件下用照度計(jì)分別測(cè)量4 個(gè)辦公桌上照度值。使用眩光測(cè)量?jī)x，測(cè)量高度為坐姿取1.2m，視線水平朝前觀測(cè)，分別測(cè)量室內(nèi)不舒適眩光DGI 和UGR。然后打開照明燈具，在天然采光和人工照明光源結(jié)合的條件下，重復(fù)以上步驟測(cè)量并記錄照度、DGI、UGR 數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)量結(jié)果及分析

①南向采光辦公室窗的不舒適眩光DGI 測(cè)量見圖1，圖2。

圖1 天然采光DGI 測(cè)量圖

圖2 人工光源和天然采光結(jié)合的DGI 測(cè)量圖

圖1僅有天然采光，測(cè)得DGI=21.6，背景亮度：34.82 cd/m2；圖2 人工光源和天然采光結(jié)合，測(cè)得DGI=21.1，背景亮度：41.88cd/m2。通過人工照明補(bǔ)光，提高了辦公室照度均勻度，整體背景亮度上升7.06cd/m2，但眩光源仍然主要為窗戶大面積天然采光，根據(jù)DGI 公式可知背景亮度與眩光成反比，實(shí)測(cè)UGR 由21.6 降低至21.1。DGI 均未超過GB 50033-2013 規(guī)定的辦公室、會(huì)議室DGI 不應(yīng)高于可接受值25 的要求。

②南向采光辦公室統(tǒng)一眩光值UGR 測(cè)量見圖3，圖4。

圖3 天然采光UGR 測(cè)量圖

圖4 人工光源和天然采光結(jié)合的UGR 測(cè)量圖

圖3僅有天然采光，測(cè)得UGR=24.3，背景亮度：35.31cd/m2；圖4 人工光源和天然采光結(jié)合，測(cè)得UGR=23.7，背景亮度：41.33cd/m2。通過人工照明補(bǔ)光，提高了辦公室照度均勻度，整體背景亮度上升6.02cd/m2，但眩光源仍然主要為窗戶大面積天然采光，根據(jù)UGR 公式可知背景亮度與眩光成反比，統(tǒng)一眩光值會(huì)降低，實(shí)測(cè)UGR 由24.3 降低至23.7。UGR 已超過GB 50034-2013 標(biāo)準(zhǔn)中表5.3.2規(guī)定的辦公建筑照明普通辦公室UGR 限值19。

③南向采光辦公室照度、窗的不舒適眩光DGI、統(tǒng)一眩光值UGR 測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 南向采光辦公室照度和眩光測(cè)量結(jié)果

由測(cè)量數(shù)據(jù)可知：

①南向采光的辦公室，距離窗戶越近，桌面照度越大；距離窗戶越遠(yuǎn)，桌面照度越小。在未開燈時(shí)，靠近窗戶的桌面照度460lx、605lx，達(dá)到國標(biāo)規(guī)定的照度450lx 限值，但靠近北側(cè)墻壁的桌面照度不足200lx；開燈后室內(nèi)照度均值從350lx 提升至484lx。滿足GB 50034-2013 辦公室照度最小限值300lx。這也驗(yàn)證了在白天有采光時(shí)室內(nèi)照明燈具常亮，增加遠(yuǎn)離窗戶區(qū)域的照度，提高照度及其均勻性，是我國辦公區(qū)域和居家的常用模式。

②眩光源亮度、眩光源立體角、背景亮度以及視線與眩光源之間的位置參數(shù)等都是影響不舒適眩光的重要因素。由于本次測(cè)量位置固定，立體角和位置參數(shù)基本不變，DGI 和UGR 主要與眩光源亮度和背景光亮度有關(guān)。打開人工照明光源后，背景亮度提高，對(duì)燈具產(chǎn)生的眩光“抵消”一部分，DGI 由21.6 減小為21.1，UGR 由24.3 減小為23.7，人們感知到的眩光會(huì)減少。

③在人工光源和天然采光結(jié)合場(chǎng)景中評(píng)價(jià)不舒適眩光，UGR 公式適用條件中，雖然作為眩光源的窗戶單個(gè)分區(qū)面積滿足光源發(fā)光部分面積在0.005m2＜S＜1.5m2范圍要求，但窗戶并不是雙對(duì)稱配光燈具，造成的測(cè)量偏差較大。因此，白晝時(shí)人工光源和天然采光結(jié)合的室內(nèi)不舒適眩光評(píng)價(jià)，不適宜采用UGR 評(píng)價(jià)，而使用窗的不舒適眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)DGI 更合適；夜晚只有人工光源照明應(yīng)采用UGR 評(píng)價(jià)室內(nèi)不舒適眩光。

4 結(jié)論

本文研究了天然采光和人工照明光源結(jié)合的照明場(chǎng)景、室內(nèi)不舒適眩光測(cè)量方法。通過測(cè)量實(shí)例發(fā)現(xiàn)：同一測(cè)量位置，打開室內(nèi)人工照明燈具，會(huì)提高照度及其均勻性，減少房間明暗對(duì)比，提升背景亮度，從而降低不舒適眩光。白晝時(shí)天然采光和人工光源結(jié)合的室內(nèi)不舒適眩光評(píng)價(jià)，應(yīng)采用窗的不舒適眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)DGI 更合適；夜晚室內(nèi)只有人工光源照明時(shí)，應(yīng)采用統(tǒng)一眩光UGR 評(píng)價(jià)。在實(shí)際應(yīng)用中采用百葉遮陽、低光澤度的表面裝飾材料、合理設(shè)計(jì)燈具布局和安裝角度等措施均能減少室內(nèi)不舒適眩光的影響，按照采光最優(yōu)，眩光危害最輕的思路，營造健康舒適的照明環(huán)境。