CIE 150《室外照明設(shè)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(xué)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(huán)境以及天文觀測產(chǎn)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(huì)(CIE)第五分部TC5-28技術(shù)委員會(huì)編寫了《室外照明設(shè)施干擾光影響限制指南》(以下簡稱《指南》)，專門規(guī)定了室外照明環(huán)境影響的評價(jià)指標(biāo)，并提出了相關(guān)指標(biāo)的建議限值。本《指南》也是我國編制國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)和參考。《室外照明設(shè)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(shù)內(nèi)容上有若干變化，本文從技術(shù)指標(biāo)、推薦限值及計(jì)算測量等方面對兩版內(nèi)容進(jìn)行比較分析。

1 《指南》內(nèi)容的變化

新版《指南》的主要內(nèi)容包括：適用范圍；術(shù)語和定義；潛在的干擾光影響及其相關(guān)的照明技術(shù)指標(biāo)；4設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行和維護(hù)；照明設(shè)計(jì)的證明文件；照明技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算；照明技術(shù)指標(biāo)的測量；附錄。本次修訂內(nèi)容的主要變化包括：

1)“術(shù)語和定義”刪除19項(xiàng)，保留2項(xiàng)，新增2項(xiàng)，共列舉了4項(xiàng)與上射光相關(guān)的術(shù)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(xiàn)階段難以量化照明對自然環(huán)境產(chǎn)生的影響，因此在“特定影響和相關(guān)照明技術(shù)指標(biāo)”一節(jié)中刪除了照明對野生動(dòng)、植物(植物、昆蟲、魚類、兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物、鳥類、哺乳動(dòng)物以及生態(tài)環(huán)境)和農(nóng)作物、家畜特定影響的這部分內(nèi)容，見表1。

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

表1 兩版《指南》關(guān)于干擾光特定影響及相關(guān)照明技術(shù)指標(biāo)比較Table 1 Comparison between both editions about specific effects and relevant light technical parameters

4)作為技術(shù)指標(biāo)限值區(qū)分依據(jù)的環(huán)境亮度分區(qū)由4個(gè)增加至5個(gè)。6項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的最大可允許值(限值)相應(yīng)的做出調(diào)整。

5)計(jì)算的調(diào)整。閾值增量TI的計(jì)算方法改為光幕亮度Lv的計(jì)算方法；保留了出光面水平的固定式燈具的ULR的計(jì)算方法，刪除了照明設(shè)施ULR的計(jì)算方法；增加了UFR和I90°～110°兩項(xiàng)上射光的技術(shù)指標(biāo)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(jì)算示例。

6)測量的發(fā)展。對應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的增刪，將閾值增量測量改為對光幕亮度測量的規(guī)定。

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

2 修訂的重要技術(shù)內(nèi)容

2.1 環(huán)境亮度分區(qū)

《指南》根據(jù)感受到的環(huán)境亮度進(jìn)行了亮度分區(qū)。上一版中亮度分區(qū)共四級，分別為E1～E4；修訂后將E1區(qū)改為E0區(qū)，新增E1區(qū),共分五級。亮度分區(qū)結(jié)合照明運(yùn)行時(shí)段是窗戶垂直面照度、燈具指定方向上的光強(qiáng)、建筑立面亮度、標(biāo)識亮度、上射光通比ULR、上射光通比UFR指標(biāo)幾項(xiàng)指標(biāo)限值區(qū)分的重要依據(jù)。各亮度分區(qū)的環(huán)境亮度及示例見表2。

表2 環(huán)境亮度分區(qū)Table 2 Environmental lighting zones

注：無論城市發(fā)展水平如何，重要的光學(xué)天文臺(tái)100 km內(nèi)的所有場所都應(yīng)遵循E1區(qū)或E0區(qū)的建議；運(yùn)行中的城市光學(xué)天文臺(tái)30 km范圍內(nèi)以及重要光學(xué)天文臺(tái)100～300 km范圍內(nèi)的場所都應(yīng)遵循E2區(qū)(或更高的E1區(qū)或E0區(qū))的建議

2.2 燈具在指定方向上的光強(qiáng)Is

從觀察方向直接看明亮燈具，會(huì)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(jià)這種影響的指標(biāo)，且用最大亮度Ls,max評價(jià)視野中明亮燈具眩光造成的干擾影響更有效、更準(zhǔn)確。然而，由于亮度數(shù)據(jù)通常不能由燈具制造商提供，《指南》建議用指定方向上的發(fā)光強(qiáng)度來表征。但是CIE 150:2003規(guī)定的燈具指定方向上的最大光強(qiáng)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(dǎo)出燈具在指定方向上光強(qiáng)的最大可允許值，見表5。

(1)

(2)

其中：Ls,max——眩光源在相關(guān)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(qiáng)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(shù)，根據(jù)環(huán)境亮度分區(qū)和運(yùn)行時(shí)段按表3取值。

表3 用于確定眩光源光強(qiáng)最大可允許值的比例系數(shù)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(huán)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(shè)傳統(tǒng)燈具橢圓或圓形的出光面直徑平均值小于80 cm，那么根據(jù)燈具出光面大小得到一系列燈具組別，如表4所示，推導(dǎo)出每種燈具組別對應(yīng)的典型面積[4]。

表4 確定用于規(guī)定光源光強(qiáng)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(jì)算時(shí)取Lb=0.10 cd/m2。表5是根據(jù)Lb=0.10 cd/m2計(jì)算得到的光強(qiáng)最大允許值。如果測定的背景亮度大于0.10 cd/m2，應(yīng)按式(3)對光強(qiáng)最大可允許值Is,max進(jìn)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?yàn)檠９庠赐ǔＪ且曇爸锌梢钥吹降淖願(yuàn)Z目的物體，所以眼睛通常會(huì)不由自主地轉(zhuǎn)向眩光源，于是就把瞄準(zhǔn)眩光源當(dāng)做視線。指定方向是指視野中出現(xiàn)可能會(huì)對居民產(chǎn)生干擾光的明亮燈具表面，或從所在位置看去會(huì)持續(xù)不斷地出現(xiàn)這種視野，言外之意，不包括短暫出現(xiàn)或短期出現(xiàn)的眩光源。該表適用于每周多次開啟，每次超過1 h的持續(xù)照明。如果開燈時(shí)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(shè)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(shè)施對道路使用者(如機(jī)動(dòng)車駕駛員、非機(jī)動(dòng)車駕駛員、行人)或其他交通系統(tǒng)使用者的影響通常表現(xiàn)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(yīng)的照明水平。目標(biāo)與背景的對比度降低會(huì)使目標(biāo)變得不明顯，甚至不可見，特別是當(dāng)環(huán)境完全黑暗的時(shí)候。CIE 150:2003采用的技術(shù)指標(biāo)是閾值增量(TI)，用來規(guī)定道路照明的眩光限制，且將CIE 115:2010規(guī)定的道路分級作為限值區(qū)分的依據(jù)。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(shè)施引起可見度降低的重點(diǎn)特定位置和觀察方向。

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

注：若要達(dá)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(shè)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(jìn)行合規(guī)評估時(shí)，那么應(yīng)根據(jù)CIE 150—2017第7.4.2條對視野中每個(gè)燈具相關(guān)方向的光強(qiáng)進(jìn)行測量，將實(shí)測值和初始設(shè)計(jì)計(jì)算基于的值進(jìn)行比較。光幕亮度應(yīng)按式(4)計(jì)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(shù)量;

k——根據(jù)觀察者年齡變化的常數(shù)。23歲觀察者的k值通常取10。其他年齡的k值可根據(jù)式(5)計(jì)算。

(5)

其中AO為觀察者的年齡。

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

評估照明設(shè)施對鐵路、航空等其他交通信號系統(tǒng)使用的影響，應(yīng)建立適用于各種交通系統(tǒng)行進(jìn)路線和視看方向的標(biāo)準(zhǔn)觀測條件，建立的這些觀測條件應(yīng)向有關(guān)交通運(yùn)輸部門(如道路、海運(yùn)、水運(yùn)、鐵路或航空)和專家咨詢確定。如果有類似航空管理局發(fā)布的適用于室外照明對航空導(dǎo)航影響的規(guī)定，這種法律規(guī)定也可以采用。

上版標(biāo)準(zhǔn)指出沒有一種儀器設(shè)備可以直接測量閾值增量TI，本版標(biāo)準(zhǔn)則表示光幕亮度Lv可以通過使用CCD成像亮度計(jì)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(shù)指標(biāo)，《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)和《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 163—2008)也采用。ULR是指燈具安裝就位后，燈具或照明設(shè)施在水平面及以上發(fā)出的光通量和總光通量之比，這是針對一個(gè)燈具實(shí)際安裝定義的應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)，考慮了燈具傾角的影響。

UFR(符號RUF)是此次修訂新增的一項(xiàng)反映上射光的技術(shù)指標(biāo)，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(biāo)，只考慮了燈具直接向上發(fā)出的光通量，既沒把照明設(shè)施作為一個(gè)整體，也沒有考慮燈具發(fā)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(nèi)，是對ULR的補(bǔ)充。

表7 照明設(shè)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(shí)際上射光通量與假設(shè)的最小上射光通量之比。

(6)

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

實(shí)際上射光通量是指所有燈具直接發(fā)出的，被照面反射的，周圍非被照區(qū)域表面反射的溢散光在水平面以上產(chǎn)生的光通量之和；假設(shè)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(dá)標(biāo)，這種理想條件下的上射光通量最小。根據(jù)定義式(6)推導(dǎo)出計(jì)算式(7)。

(7)

RULO,α——燈具安裝傾斜角α?xí)r的上射光輸出比;

RDLO,α——燈具安裝傾斜角α?xí)r的下射光輸出比;

ρ1——參考面的平均反射比;

ρ2——周圍環(huán)境的平均反射比;

u——照明設(shè)施對參考面S的利用系數(shù)。

圖1 道路照明UFR計(jì)算用參數(shù)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(cè)相同的相鄰區(qū)域?qū)挾取?/p>

現(xiàn)場測量不了ULR和UFR。如果需要進(jìn)行合規(guī)評估，應(yīng)注明燈具類型和瞄準(zhǔn)角度，以確定燈具在特定情況下是否滿足表7中所規(guī)定的限值。

2.5 近水平面的燈具光強(qiáng)I90°～110°

此次修訂提出天文臺(tái)周邊除了要限制ULR和 UFR以外，燈具在90°～110°范圍內(nèi)的光強(qiáng)(I90°～110°)同樣也應(yīng)受到限制，不同角度范圍的光強(qiáng)限值見表8。這是因?yàn)樗矫嫔戏?0°～110°范圍內(nèi)發(fā)出的光對造成天文臺(tái)周邊的天空光來說最為關(guān)鍵，如果假設(shè)光學(xué)天文臺(tái)的位置距離照明設(shè)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?yàn)楣庋刂?、長距離的路徑穿過大氣層，并在這條路徑上產(chǎn)生散射，從而會(huì)在很遠(yuǎn)的距離上形成天空光[6-9]。

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

在實(shí)驗(yàn)室測量照明設(shè)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(qiáng)。

3 總結(jié)

《指南》修訂前后內(nèi)容變化表明：

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

2)在上射光參數(shù)中，ULR適合作為照明設(shè)計(jì)階段燈具選型用技術(shù)指標(biāo)，UFR更適合作為綠色照明環(huán)保指標(biāo)對工程項(xiàng)目進(jìn)行評價(jià)；

3)隨著LED照明和智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，其在建筑和引導(dǎo)標(biāo)識上應(yīng)用于室外展示越來越普遍，對于動(dòng)態(tài)變化的閃爍(flicker)等引起的干擾問題，此次修訂尚未提出相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)；

4)我國早在20世紀(jì)90年代就已研發(fā)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(shí)現(xiàn)測算。