室內(nèi)天然采光和人工光源照明場景不舒適眩光測量方法研究

張曉穎 ZHANG Xiao-ying；田甜 TIAN Tian

（陜西省計量科學研究院，西安 710065）

0 引言

天然光環(huán)境是人們長期習慣和喜愛的工作環(huán)境，人類長期進化以來，人眼對天然光已經(jīng)形成了很好的適應機制，天然光比人工光更能滿足人的生理及心理需求。在建筑設計中，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，遠離窗戶區(qū)域照度較低，常需要人工光源補光。優(yōu)秀的室內(nèi)照明設計應按照采光最優(yōu)，眩光危害最輕的思路來設計，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)境舒適性和評價照明質(zhì)量的重要指標之一。眩光一般來源于側(cè)窗，陽光直射會導致部分區(qū)域過亮，直接照射或間接反射導致眩光。目前國內(nèi)研究重點都考慮燈具產(chǎn)生的直接眩光和眩光測量方法，朱王尊等人研究了瞄點式亮度計和成像式亮度計測眩光方法的比較，得出成像式亮度計測量能減小誤差的結(jié)論[1]；康品春對不同照明環(huán)境中眩光評價的國內(nèi)外標準以及檢測技術的發(fā)展和現(xiàn)狀做了詳細介紹[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)生的眩光研究相對較少。本文綜合考慮兩方面因素對照明質(zhì)量進行評價，首先對眩光理論進行了闡述；其次采用對比方法，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)實測數(shù)據(jù)，給出不同照明場景下眩光評價建議，對現(xiàn)場照明眩光測量評價和減少眩光影響具有積極意義。

1 室內(nèi)照明場所的眩光和照度

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，或存在極端的對比，以致引起不舒適的感覺或降低觀察細部或目標的能力的視覺現(xiàn)象。長期生活在眩光嚴重的照明環(huán)境中，不但會降低工作效率，且不利于身心健康。眩光形成的主要原因：眩光源發(fā)出的散射光進入人眼后，形成光幕疊加在視網(wǎng)膜上，光幕會降低環(huán)境與目標物體的對比度，減緩人眼的反應速度，使人眼難以看清目標。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，不舒適程度評估是照明舒適性評價指標的重要組成部分。

1.2 工作面水平照度

室內(nèi)照明環(huán)境某一點從天空獲得的直射光的量，取決于在該點通過窗戶所看到的天空的面積。距離窗戶越遠，該點的照度就越小，反之亦然。GB 50033-2013《建筑采光設計標準》第4.0.8 條款規(guī)定側(cè)面采光時，辦公建筑的辦公室、會議室，采光等級為III 級，室內(nèi)天然光工作面水平照度標準值不應低于450lx[3]。GB 50034-2013《建筑照明設計標準》第5 章規(guī)定，辦公建筑中普通辦公室照明標準值300lx[4]。對于側(cè)窗采光的室內(nèi)場所，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：一是對采光的窗戶未進行定期的擦洗和維修，致使玻璃污染嚴重，透光率很低；二是建筑設計室內(nèi)景深較大，遠離窗戶的區(qū)域照度較低。因此白天辦公區(qū)域和居家環(huán)境大部分時候都要開燈，以彌補光線不足的缺陷。

2 室內(nèi)不舒適眩光的評價方法

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（CIE）提出的統(tǒng)一眩光評價UGR；英國提出窗的不舒適眩光指數(shù)DGI，我國國家標準結(jié)合英國DGI 分級方式，調(diào)整了DGI 值評價范圍。眩光指數(shù)評價范圍見表1。

表1 眩光指數(shù)評價范圍

2.1 窗的不舒適眩光DGI

天然光眩光的評價指標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《建筑采光設計標準》提出使用DGI 作為我國天然光眩光評價指標，并按照采光等級劃分。辦公建筑的辦公室、會議室，采光等級為III 級，DGI 不應高于可接受值25。DGI 按公式（1）進行計算：

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—窗對計算點形成的立體角，sr；

Ω—窗對計算點形成考慮窗位置修正的立體角，sr。

2.2 人工光源眩光評價指標UGR

人工光源的眩光評價指標常用統(tǒng)一眩光值（UGR），主要是針對于小的、靜態(tài)的人工光源的眩光，UGR 表征了照明裝置發(fā)出的光對人眼造成不舒適感主觀反應的心理參量。GB 50034-2013《建筑照明設計標準》規(guī)定公共建筑和工業(yè)建筑常用房間或場所的不舒適眩光應采用統(tǒng)一眩光值（UGR）評價，且最大允許值不超過相應規(guī)定。UGR 并不是測試、計算、評價某一燈具的不舒適眩光程度的值，而是評價要測試的整個照明空間所有照明燈具引起的不舒適眩光值。眩光等級是區(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 測試方法，適用于雙對稱配光燈具，視線應水平朝前觀測，測量高度為坐姿取1.2m，站姿取1.5m。當測試中的光源發(fā)光部分面積在0.005m2＜S＜1.5m2范圍時，按公式（2）計算對應的眩光值。

隨著虎豹集團規(guī)模的擴大以及行業(yè)地位的提高，企業(yè)迅速擴張的背后也出現(xiàn)了資金大額短缺、存貨大量積壓、績效評價脫離戰(zhàn)略愿景、團隊目標管理建設不完善等方面的問題。究其主要原因在于服裝企業(yè)過于追求短期績效，缺乏持續(xù)、創(chuàng)新的管理理念。因此，探索虎豹集團的創(chuàng)新績效管理模式具有重要的研究價值。

式中：

Lb—背景亮度，cd/m2；

L—觀察者眼睛方向上每一個燈具發(fā)光部分的亮度，cd/m2；

ω—觀察者眼睛中每一個燈具發(fā)光部分的立體角，sr；

p—每一個燈具的古斯位置指數(shù)（相對于視線的位移）。

2.3 不舒適眩光測量方法

對于室內(nèi)照明現(xiàn)場眩光值的測量，依據(jù)GB/Z 26212-2010《室內(nèi)工作環(huán)境的不舒適眩光》[5]，有兩種測試方法：一種為瞄點式亮度計測量法，使用瞄點式亮度計、激光測距儀等設備，測量每一個燈具發(fā)光面面積、燈具位置信息等，計算眩光值；另一種為成像式亮度計測量法，測量原理是眩光源亮度與其對應像素的亮度響應成正比，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)域面積成像對應，眩光源與觀察方向相對位置角度通過對應像素與中心像素點的偏離以及鏡頭的焦距計算得到，最終計算出眩光值。隨著測量技術的不斷發(fā)展進步，更多采用成像亮度計測量方法，不僅能減少人為測量誤差，還能快速、準確測量，測量數(shù)據(jù)重復性較高。

3 照度和不舒適眩光測量過程及結(jié)果

3.1 測量場景和條件

測量場景：辦公室長9.2m，寬6m，有2 個南向窗戶，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 個方形格柵熒光燈。

測量設備：照度計（型號ST-80C），基于成像式亮度計原理且魚眼鏡頭為EF8-15mm 的GM-1200 型號眩光測量儀。

測量程序：先關閉辦公室照明燈具，僅在天然采光條件下用照度計分別測量4 個辦公桌上照度值。使用眩光測量儀，測量高度為坐姿取1.2m，視線水平朝前觀測，分別測量室內(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，重復以上步驟測量并記錄照度、DGI、UGR 數(shù)據(jù)。

3.2 測量結(jié)果及分析

①南向采光辦公室窗的不舒適眩光DGI 測量見圖1，圖2。

圖1 天然采光DGI 測量圖

圖2 人工光源和天然采光結(jié)合的DGI 測量圖

圖1僅有天然采光，測得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，測得DGI=21.1，背景亮度：41.88cd/m2。通過人工照明補光，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，實測UGR 由21.6 降低至21.1。DGI 均未超過GB 50033-2013 規(guī)定的辦公室、會議室DGI 不應高于可接受值25 的要求。

②南向采光辦公室統(tǒng)一眩光值UGR 測量見圖3，圖4。

圖3 天然采光UGR 測量圖

圖4 人工光源和天然采光結(jié)合的UGR 測量圖

圖3僅有天然采光，測得UGR=24.3，背景亮度：35.31cd/m2；圖4 人工光源和天然采光結(jié)合，測得UGR=23.7，背景亮度：41.33cd/m2。通過人工照明補光，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)一眩光值會降低，實測UGR 由24.3 降低至23.7。UGR 已超過GB 50034-2013 標準中表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 測量結(jié)果見表2。

表2 南向采光辦公室照度和眩光測量結(jié)果

由測量數(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，桌面照度越小。在未開燈時，靠近窗戶的桌面照度460lx、605lx，達到國標規(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。這也驗證了在白天有采光時室內(nèi)照明燈具常亮，增加遠離窗戶區(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。打開人工照明光源后，背景亮度提高，對燈具產(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減少。

③在人工光源和天然采光結(jié)合場景中評價不舒適眩光，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，但窗戶并不是雙對稱配光燈具，造成的測量偏差較大。因此，白晝時人工光源和天然采光結(jié)合的室內(nèi)不舒適眩光評價，不適宜采用UGR 評價，而使用窗的不舒適眩光評價指標DGI 更合適；夜晚只有人工光源照明應采用UGR 評價室內(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)合的照明場景、室內(nèi)不舒適眩光測量方法。通過測量實例發(fā)現(xiàn)：同一測量位置，打開室內(nèi)人工照明燈具，會提高照度及其均勻性，減少房間明暗對比，提升背景亮度，從而降低不舒適眩光。白晝時天然采光和人工光源結(jié)合的室內(nèi)不舒適眩光評價，應采用窗的不舒適眩光評價指標DGI 更合適；夜晚室內(nèi)只有人工光源照明時，應采用統(tǒng)一眩光UGR 評價。在實際應用中采用百葉遮陽、低光澤度的表面裝飾材料、合理設計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。