白光LED室內(nèi)不舒適眩光評(píng)估方法研究

張雨晨+張曉輝+張爽+王銀飛

摘 要：為驗(yàn)證統(tǒng)一眩光指數(shù)（UGR）是否適用于LED光源的不舒適眩光評(píng)估，文章對(duì)兩種不同白光LED燈具，在三個(gè)不同高度工作面上進(jìn)行不舒適眩光測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明LED照明空間中，不同平面上依據(jù)原有評(píng)估方法選取的測(cè)量點(diǎn)均無(wú)法反映相應(yīng)平面的不舒適眩光程度。通過(guò)研究，提出將DIALux軟件仿真與UGR測(cè)量相結(jié)合可以更準(zhǔn)確地評(píng)估LED照明空間的不舒適眩光程度。

關(guān)鍵詞：LED照明空間；UGR；不舒適眩光

中圖分類(lèi)號(hào)：TM923 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）30-0108-03

引言

最佳光照環(huán)境可以在不同的場(chǎng)合滿(mǎn)足完成的不同任務(wù)要求，還能給人帶來(lái)舒適感和愉悅感，甚至可以提高視覺(jué)工效。照明環(huán)境的舒適性會(huì)影響人的生理健康和心理健康，而室內(nèi)不舒適眩光程度評(píng)估是照明舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要組成部分。

近年來(lái)，LED發(fā)光二極管照明技術(shù)發(fā)展迅猛，逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源應(yīng)用于各種場(chǎng)所。因LED的發(fā)光原理與光色特性不同于傳統(tǒng)照明燈具，LED照明存在著光照分布不均勻所形成的眩光，以其為光源所構(gòu)造的照明環(huán)境與白熾燈和熒光燈等傳統(tǒng)燈具構(gòu)造的照明環(huán)境有很大的不同。

國(guó)家《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034-2013規(guī)定普通建筑室內(nèi)不舒適眩光應(yīng)采用統(tǒng)一眩光指數(shù)（UGR）評(píng)價(jià)[1]，而UGR是基于傳統(tǒng)光源照明特性得到的。研究表明，對(duì)于相同的平均亮度，均勻光分布照明設(shè)備和非均勻光分布照明設(shè)備的不舒適眩光感受明顯不同[2]。目前，國(guó)際上尚未形成統(tǒng)一的LED燈具不舒適眩光評(píng)估方法[3]。本文研究UGR應(yīng)用于LED光源不舒適眩光評(píng)估的不足并提出修正方案。

1 不舒適眩光評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

眩光是一種由于視野中的亮度分布不適當(dāng)或亮度變化幅度過(guò)大，以致引起不舒適感或降低觀察物體能力，或兩種現(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)。根據(jù)作用不同，眩光可以分為兩種：失能眩光和不舒適眩光，它們常常一起出現(xiàn)但也可以單獨(dú)出現(xiàn)。其中，與人眼有直接生理關(guān)系降低視覺(jué)功能的是失能眩光，又名生理眩光；僅帶來(lái)不舒適感而未降低人眼視覺(jué)能力的是不舒適眩光。

室內(nèi)眩光屬于不舒適眩光，對(duì)于不舒適眩光的評(píng)價(jià)，常見(jiàn)的四種方法分別是：統(tǒng)一眩光評(píng)價(jià)系統(tǒng)（UGR）、英國(guó)的眩光指數(shù)系統(tǒng)（GI）、美國(guó)的視覺(jué)不舒適概率系統(tǒng)（VCP）和亮度限制曲線[4-6]。通過(guò)對(duì)室內(nèi)照明裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將不同評(píng)價(jià)方法的計(jì)算結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，研究人員認(rèn)為UGR是四種方法中最佳的室內(nèi)不舒適眩光評(píng)估方法[7]。國(guó)家《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034-2013規(guī)定[1]：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(guò)相應(yīng)規(guī)定。因此本文采用UGR作為評(píng)估LED室內(nèi)照明不舒適眩光的指標(biāo)。

國(guó)家《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034-2013在附錄中給出了室內(nèi)照明的UGR測(cè)試方法：UGR適用于雙對(duì)稱(chēng)配光燈具，觀測(cè)位置應(yīng)在縱向和橫向兩面墻的中點(diǎn)，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)試中的光源均為一般光源，即發(fā)光面積介于0.005～1.5m2之間時(shí)，UGR的計(jì)算公式為：

式中：La=觀察者眼睛方向每個(gè)燈具發(fā)光部分的亮度（cd/m2）；

Lb=背景亮度（cd/m2）；

？棕=每個(gè)照明器發(fā)光部分對(duì)觀察者眼睛所形成的立體角（sr）；

P=每個(gè)照明器的古斯位置指數(shù)（視線方向的偏移）。

2 LED光源的UGR測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在室內(nèi)搭建了一個(gè)用于測(cè)試UGR的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)空間，尺寸為4.0*3.1*2.5m3，四面墻體及頂部統(tǒng)一粉刷白色涂料（反射系數(shù)0.90），地面為淺灰色木質(zhì)地板（反射系數(shù)0.38），入口用涂有相同白色涂料的木板封住，使用DIALux軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境仿真如圖1（a）所示。眩光源是在空間頂棚處安裝的LED雙配光燈具，使用的兩種LED燈具為0.56*0.56m2的滬樂(lè)方形LED面板燈和0.60*0.30m2的輝帥矩形LED面板燈，相關(guān)色溫約為6000K。根據(jù)GB 50034-2013選擇待測(cè)工作面高度為1.2m和1.5m。

2.2 國(guó)標(biāo)規(guī)定的LED光源UGR測(cè)試結(jié)果

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室不舒適眩光評(píng)價(jià)測(cè)量應(yīng)選擇兩面墻的中點(diǎn)1為測(cè)量位置，如圖1（b）所示，測(cè)量方向水平朝前，測(cè)量高度分別為1.2m和1.5m，燈具坐標(biāo)為：矩形燈 （1.75，3.3，2.58）、方燈（0.75，2.0，2.58）。實(shí)驗(yàn)人員將LS-100亮度計(jì)目視高度調(diào)到1.2m，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)按照相應(yīng)測(cè)量方向獲取背景亮度Lb，再調(diào)整亮度計(jì)角度測(cè)得兩個(gè)光源亮度La1和La2，每個(gè)參量測(cè)量三組數(shù)據(jù)取平均值得到測(cè)點(diǎn)的背景亮度Lb、光源亮度La（單位cd/m2），立體角ω由燈具發(fā)光面積和燈具中心與測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置確定，古斯位置指數(shù)P由燈具與測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置查表得到。將各測(cè)點(diǎn)所需參量帶入U(xiǎn)GR公式（1），求得兩個(gè)高度UGR值分別為13.2和16.2均小于19。國(guó)標(biāo)中辦公建筑照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定UGR最大允許值為19，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩個(gè)高度都沒(méi)有眩光帶來(lái)的不舒適感。

2.3 UGR驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)論的可靠性，在1.2m和1.5m高度工作面上分別選取13個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每一待測(cè)工作面測(cè)點(diǎn)分布及測(cè)量方向如圖1（c）所示，其中標(biāo)號(hào)13的測(cè)量點(diǎn)與2.2實(shí)驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)位置一致，測(cè)量方向由相關(guān)計(jì)算確定。方形網(wǎng)格邊長(zhǎng)均為1m，是用于輔助測(cè)點(diǎn)的設(shè)置。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入公式（1）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1。記相應(yīng)高度工作面第n個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值為Un，則相應(yīng)高度UGR實(shí)測(cè)值為各點(diǎn)實(shí)測(cè)值的最大值。

由表1可知，1.2m和1.5m高度工作面上，測(cè)點(diǎn)7的UGR值大于其他測(cè)點(diǎn)，故1.2m高度工作面的統(tǒng)一眩光值指數(shù)（UGR）為18.3，而1.5m高度工作面UGR則為20.5， 與實(shí)驗(yàn)2.1中兩個(gè)高度UGR值分別為13.2和16.2大不相同。國(guó)標(biāo)中辦公建筑照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定UGR最大允許值為19，而在實(shí)驗(yàn)2.3中，當(dāng)測(cè)試高度H=1.2m時(shí)，工作平面UGR實(shí)測(cè)值最大值未超過(guò)規(guī)定值，認(rèn)為此高度沒(méi)有因眩光產(chǎn)生的不舒適感。由表1可知，當(dāng)H=1.5m時(shí)，工作平面UGR實(shí)測(cè)值最大值大于19，超過(guò)了國(guó)標(biāo)規(guī)定值，說(shuō)明在實(shí)際工作中，此高度會(huì)有眩光帶來(lái)的不舒適感，由此可見(jiàn)，2.2的評(píng)估結(jié)論與實(shí)際感受不一致。實(shí)驗(yàn)表明根據(jù)國(guó)標(biāo)相關(guān)規(guī)定使用UGR對(duì)LED不舒適眩光進(jìn)行評(píng)估是不可行的。endprint

3 LED光源不舒適眩光評(píng)估方法

3.1 DIALux軟件

德國(guó)DIAL Gmbh聯(lián)合多家國(guó)際知名燈具廠家共同投資研發(fā)并于1992年正式推行了建筑照明設(shè)計(jì)軟件DIALux。它通過(guò)模擬不同配光曲線的單個(gè)燈具或多個(gè)燈具構(gòu)成的室內(nèi)照明環(huán)境完成照度及照度均勻度、眩光等指標(biāo)的模擬計(jì)算，為仿真室內(nèi)照明環(huán)境提供了基礎(chǔ)。DIALux具有較高的專(zhuān)業(yè)性和兼容性，德國(guó)慕尼黑市中心的馬普協(xié)會(huì)總部大樓照明設(shè)計(jì)和2008年北京奧運(yùn)地下車(chē)庫(kù)采光設(shè)計(jì)等均采用DIALux軟件進(jìn)行照明分析設(shè)計(jì)[8]。

3.2 LED不舒適眩光評(píng)估方法

因LED光源光照分布不均勻， UGR系統(tǒng)單一選點(diǎn)測(cè)量的方式不再適用于LED不舒適眩光的評(píng)價(jià)。為解決這一問(wèn)題，本文首先借助DIALux對(duì)圖1（c）中多點(diǎn)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果記為Un'，如表2所示。

將仿真結(jié)果和表1比較發(fā)現(xiàn)：26個(gè)測(cè)點(diǎn)中除去1個(gè)無(wú)法計(jì)算的測(cè)點(diǎn)僅有2個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差絕對(duì)值在5.0%～7.0%之間，剩余23個(gè)測(cè)點(diǎn)均在5.0%以?xún)?nèi)，高達(dá)92.0%，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

根據(jù)以上分析，本文認(rèn)為先借助DIALux仿真結(jié)果幫助選擇合適的范圍進(jìn)行測(cè)量，再結(jié)合UGR公式能夠更好地評(píng)估LED照明環(huán)境的不舒適眩光程度。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證3.1中提出的評(píng)估LED不舒適眩光的方法，選擇在H=1.6m工作平面上進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：首先使用DIALLux對(duì)H=1.6m工作面進(jìn)行仿真，結(jié)果如表3所示；隨后根據(jù)仿真結(jié)果，選擇適當(dāng)?shù)姆秶M(jìn)行實(shí)際測(cè)量。選擇仿真結(jié)果Un'>20的測(cè)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)13進(jìn)行測(cè)量，如圖2（b）所示，將LS-100亮度計(jì)目視高度調(diào)到1.6m，重復(fù)實(shí)驗(yàn)2.2的測(cè)量步驟，獲得各點(diǎn)所需的參數(shù)值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)，與依據(jù)測(cè)點(diǎn)13得到的結(jié)果UGR=17.8<19相比，測(cè)點(diǎn)7的計(jì)算結(jié)果UGR=20.8>19顯然更貼近仿真結(jié)果UGR=20.4>19。且此時(shí)結(jié)論方與仿真結(jié)果一致：在H=1.6m高度工作面有因眩光產(chǎn)生的不舒適感的。因此，3.1中提出的方法能夠準(zhǔn)確的評(píng)估LED照明空間不舒適眩光。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用6000K色溫的兩種LED燈具產(chǎn)生不舒適眩光，在不同的工作面高度上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)：（1）同一測(cè)量位置，工作面高度越高，統(tǒng)一眩光指數(shù)UGR越大，不舒適眩光程度越高；（2）不同高度平面的UGR最大值位置不同，并非固定在縱向和橫向兩面墻的中點(diǎn)，UGR單一選點(diǎn)的方法不再適用于LED光源照明的簡(jiǎn)單立方體空間；（3）結(jié)合DIALux 對(duì)不同的照明條件進(jìn)行具體分析，測(cè)量結(jié)果可以更好地反映LED照明空間的不舒適眩光程度。

本文以 LED燈具的照明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探究如何使UGR更適用于LED光源，結(jié)合DIALux仿真驗(yàn)證優(yōu)化后的方法，為準(zhǔn)確的評(píng)估LED照明空間的不舒適眩光提供一種有效的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 50034-2013.建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]馮阿陽(yáng)，李樂(lè)，周莉，等.白光LED不舒適眩光的驗(yàn)證和優(yōu)化[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2017，37（07）：0733001.

[3]劉弈宏，LED眩光的心理與生理影響機(jī)理研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2014.

[4]BENNETT CA， RUBINSON RM， RAMARO BCV. Discomfort glare： luminance range-limited replication study of angularly small sources[J]. Journal of the Illuminating Engineering Society of North America， 1984，14：396-420.

[5]SCHMIDT Clausen H D，BINDELS J H. Assessment of discomfort glare in motor vehiclelighting[J]. Lighting Research and Teconology，1974，6（2）：79-82.

[6]BULLOUGH JD. Predicting discomfort glare from outdoor-lighting installations. Lighting Research and Teconology，2008，40：225-242.

[7]楊公俠，楊旭東.不舒適眩光與不舒適眩光評(píng)價(jià)（2）[J].照明工程學(xué)報(bào)，2006，17（3）：9-12.

[8]路博，趙青，等.室內(nèi)光環(huán)境輔助性設(shè)計(jì)應(yīng)用與研究——DIALux與Ecotect設(shè)計(jì)模擬分析[D].太原理工大學(xué)，2015.endprint