CIE 150《室外照明设施干扰光影响限制指南》修订变化解析

2019-01-18李铁楠

照明工程学报 2018年6期

李媛，李铁楠

(中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

引言

室外照明一方面满足了夜间人们工作娱乐、安全安保、美化装饰、广告显示的需求，另一方面也可能对周边居民、道路使用者、观光客、自然环境以及天文观测产生不利影响。为了将室外照明的干扰影响限制在能够接受的水平，国际照明委员会(CIE)第五分部TC5-28技术委员会编写了《室外照明设施干扰光影响限制指南》(以下简称《指南》)，专门规定了室外照明环境影响的评价指标，并提出了相关指标的建议限值。本《指南》也是我国编制国家标准、行业标准和地方标准的重要依据和参考。《室外照明设施干扰光影响限制指南(第二版)》CIE 150:2017是对CIE 150:2003所作的修订和更新，是该出版物的第二版，技术内容上有若干变化，本文从技术指标、推荐限值及计算测量等方面对两版内容进行比较分析。

1 《指南》内容的变化

新版《指南》的主要内容包括：适用范围；术语和定义；潜在的干扰光影响及其相关的照明技术指标；4设计、安装、运行和维护；照明设计的证明文件；照明技术指标的计算；照明技术指标的测量；附录。本次修订内容的主要变化包括：

1)“术语和定义”删除19项，保留2项，新增2项，共列举了4项与上射光相关的术语，分别是上射光输出比ULOR、下射光输出比DLOR、上射光通比ULR、上射光通比UFR。

2)由于现阶段难以量化照明对自然环境产生的影响，因此在“特定影响和相关照明技术指标”一节中删除了照明对野生动、植物(植物、昆虫、鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类、哺乳动物以及生态环境)和农作物、家畜特定影响的这部分内容，见表1。

3)指标的增删。干扰光对交通系统使用者影响的技术指标保留了阈值增量，同时增加了光幕亮度；对天文观测影响的技术指标保留了ULR，增加了UFR和近水平面的灯具光强I90°～110°两个指标，见表1。

表1 两版《指南》关于干扰光特定影响及相关照明技术指标比较Table 1 Comparison between both editions about specific effects and relevant light technical parameters

4)作为技术指标限值区分依据的环境亮度分区由4个增加至5个。6项技术指标的最大可允许值(限值)相应的做出调整。

5)计算的调整。阈值增量TI的计算方法改为光幕亮度Lv的计算方法；保留了出光面水平的固定式灯具的ULR的计算方法，删除了照明设施ULR的计算方法；增加了UFR和I90°～110°两项上射光的技术指标的确定方法，并针对道路功能照明、建筑景观照明、体育场照明和室外场所照明给出了三种主要类型室外照明UFR的计算示例。

6)测量的发展。对应技术指标的增删，将阈值增量测量改为对光幕亮度测量的规定。

7)增加了附录C灯具在指定方向上光强最大允许值的推导；附录D UFR公式的推导；附录E地面反射比的确定方法，即如何现场测量漫反射表面的反射比。

2 修订的重要技术内容

2.1 环境亮度分区

《指南》根据感受到的环境亮度进行了亮度分区。上一版中亮度分区共四级，分别为E1～E4；修订后将E1区改为E0区，新增E1区,共分五级。亮度分区结合照明运行时段是窗户垂直面照度、灯具指定方向上的光强、建筑立面亮度、标识亮度、上射光通比ULR、上射光通比UFR指标几项指标限值区分的重要依据。各亮度分区的环境亮度及示例见表2。

表2 环境亮度分区Table 2 Environmental lighting zones

注：无论城市发展水平如何，重要的光学天文台100 km内的所有场所都应遵循E1区或E0区的建议；运行中的城市光学天文台30 km范围内以及重要光学天文台100～300 km范围内的场所都应遵循E2区(或更高的E1区或E0区)的建议

2.2 灯具在指定方向上的光强Is

从观察方向直接看明亮灯具，会造成干扰，分散注意力，甚至引起不适。灯具指定方向上的亮度可作为评价这种影响的指标，且用最大亮度Ls,max评价视野中明亮灯具眩光造成的干扰影响更有效、更准确。然而，由于亮度数据通常不能由灯具制造商提供，《指南》建议用指定方向上的发光强度来表征。但是CIE 150:2003规定的灯具指定方向上的最大光强不依赖于眩光源和观察者之间的距离，所以CIE 150:2017用亮度最大可允许值按式(1)、式(2)[3]推导出灯具在指定方向上光强的最大可允许值，见表5。

(1)

(2)

其中：Ls,max——眩光源在相关立体角Ωs上的平均亮度最大可允许值，单位：cd/m2；

Is,max——眩光源光强最大可允许值，单位：cd；

Ωs——从观察者位置看到的眩光源的立体角，单位：sr；

d——眩光源与观察者位置之间的距离，单位：m;

k——用于确定Is,max限值的比例系数，根据环境亮度分区和运行时段按表3取值。

表3 用于确定眩光源光强最大可允许值的比例系数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(周围的环境亮度)，单位：cd/m2；

Ap——从观察者位置看到的眩光源的投影面积，单位为m2。

假设传统灯具椭圆或圆形的出光面直径平均值小于80 cm，那么根据灯具出光面大小得到一系列灯具组别，如表4所示，推导出每种灯具组别对应的典型面积[4]。

表4 确定用于规定光源光强最大允许值的典型面积Table 4 Determination of the representative area used for the specification of the maximum permitted luminous intensity of technical light sources

式(2)的适用范围是0.10 cd/m2≤Lb≤10 cd/m2和10-7sr ≤Ωs≤ 10-2sr。如果测定的背景亮度小于0.10 cd/m2，那么计算时取Lb=0.10 cd/m2。表5是根据Lb=0.10 cd/m2计算得到的光强最大允许值。如果测定的背景亮度大于0.10 cd/m2，应按式(3)对光强最大可允许值Is,max进行修正。

(3)

表5中的这些Is,max限值取决于眩光源和观察者之间的视看距离[5]以及灯具明亮部分在观察方向上的投影面积Ap。因为眩光源通常是视野中可以看到的最夺目的物体，所以眼睛通常会不由自主地转向眩光源，于是就把瞄准眩光源当做视线。指定方向是指视野中出现可能会对居民产生干扰光的明亮灯具表面，或从所在位置看去会持续不断地出现这种视野，言外之意，不包括短暂出现或短期出现的眩光源。该表适用于每周多次开启，每次超过1 h的持续照明。如果开灯时间较短或不频繁，限值要求可能比表中的值要高，例如体育设施。这必须具体问题具体分析。

2.3 光幕亮度Lv

非道路照明设施对道路使用者(如机动车驾驶员、非机动车驾驶员、行人)或其他交通系统使用者的影响通常表现为明亮光源引起的失能眩光造成视看能力的下降。影响程度取决于使用者所适应的照明水平。目标与背景的对比度降低会使目标变得不明显，甚至不可见，特别是当环境完全黑暗的时候。CIE 150:2003采用的技术指标是阈值增量(TI)，用来规定道路照明的眩光限制，且将CIE 115:2010规定的道路分级作为限值区分的依据。本次修订增加了光幕亮度及其限值，见表6。表中指定的光幕亮度最大值是基于阈值增量(TI)最大允许值15%确定的。这些值适用于那些可能由照明设施引起可见度降低的重点特定位置和观察方向。

表5 灯具指定方向上光强最大允许值(限值)Table 5 Maximum values for luminous intensity of luminaires in designated directions

注：若要达到表中限值为0 cd的要求，只能采用指定方向全截光型的灯具。

表6 非道路照明设施阈值增量和光幕亮度最大允许值Table 6 Maximum values of threshold increment and veiling luminance from non-road lighting installation

如果无法获得光幕亮度，仍需进行合规评估时，那么应根据CIE 150—2017第7.4.2条对视野中每个灯具相关方向的光强进行测量，将实测值和初始设计计算基于的值进行比较。光幕亮度应按式(4)计算：

(4)

其中：Eeye,i——灯具在观察者眼睛观察方向平面法线上形成的照度(初始值)，单位：lx;

θi——视线和灯具中心之间的夹角;

n——待测灯具的数量;

k——根据观察者年龄变化的常数。23岁观察者的k值通常取10。其他年龄的k值可根据式(5)计算。

(5)

其中AO为观察者的年龄。

评估非道路照明设施对邻近道路的机动车驾驶员和行人的影响时，假定的观测条件与上一版比较没有变化，包括对司机的眼睛高度、视线方向以及视野的规定。应按CIE 132—1999假设的车辆挡风玻璃形成的遮光角确定视野中需测算的非道路照明设施。驾驶员眼睛的高度应在路面上方1.5 m处，且驾驶员的视线应与道路的中心线平行，相对于路面平面向下1°。

评估照明设施对铁路、航空等其他交通信号系统使用的影响，应建立适用于各种交通系统行进路线和视看方向的标准观测条件，建立的这些观测条件应向有关交通运输部门(如道路、海运、水运、铁路或航空)和专家咨询确定。如果有类似航空管理局发布的适用于室外照明对航空导航影响的规定，这种法律规定也可以采用。

上版标准指出没有一种仪器设备可以直接测量阈值增量TI，本版标准则表示光幕亮度Lv可以通过使用CCD成像亮度计测算得到。

2.4 上射光通比UFR

CIE 150:2003采用ULR作为限制天空光的技术指标，《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)和《城市夜景照明设计规范》(JGJ 163—2008)也采用。ULR是指灯具安装就位后，灯具或照明设施在水平面及以上发出的光通量和总光通量之比，这是针对一个灯具实际安装定义的应用技术指标，考虑了灯具倾角的影响。

UFR(符号RUF)是此次修订新增的一项反映上射光的技术指标，其限值如表7所示。 ULR、UFR的英文全称分别为 upward light ratio，upward flux ratio，中文均有“上射光通比”之意。相较而言，ULR是限制天空光最简化的指标，只考虑了灯具直接向上发出的光通量，既没把照明设施作为一个整体，也没有考虑灯具发出的由被照面向上反射的那部分光。而UFR将这些方面都考虑在内，是对ULR的补充。

表7 照明设施(包含四套及以上灯具)上射光通比最大值Table 7 Maximum values of upward flux ratio of installation (of four or more luminaires)

UFR定义如式(6)所述，是实际上射光通量与假设的最小上射光通量之比。

(6)

其中ΦUP,max为实际上射光通量；ΦUP,min为理想条件下最小上射光通量。

实际上射光通量是指所有灯具直接发出的，被照面反射的，周围非被照区域表面反射的溢散光在水平面以上产生的光通量之和；假设灯具没有直接辐射到水平面以上的光，且所有光都照向被照面且照度恰好达标，这种理想条件下的上射光通量最小。根据定义式(6)推导出计算式(7)。

(7)

RULO,α——灯具安装倾斜角α时的上射光输出比;

RDLO,α——灯具安装倾斜角α时的下射光输出比;

ρ1——参考面的平均反射比;

ρ2——周围环境的平均反射比;

u——照明设施对参考面S的利用系数。

图1 道路照明UFR计算用参数Fig.1 Parameters for the calculation of UFR for a road lighting situation

(8)

其中，Wc为车行道宽度;Wα为车行道两侧相同的相邻区域宽度。

现场测量不了ULR和UFR。如果需要进行合规评估，应注明灯具类型和瞄准角度，以确定灯具在特定情况下是否满足表7中所规定的限值。

2.5 近水平面的灯具光强I90°～110°

此次修订提出天文台周边除了要限制ULR和 UFR以外，灯具在90°～110°范围内的光强(I90°～110°)同样也应受到限制，不同角度范围的光强限值见表8。这是因为水平面上方90°～110°范围内发出的光对造成天文台周边的天空光来说最为关键，如果假设光学天文台的位置距离照明设施20 km以上，在晴朗的天空条件下光的最大影响是由接近水平面的方向(主要是90°～110°)辐射的那部分光造成的，因为光沿着近水平、长距离的路径穿过大气层，并在这条路径上产生散射，从而会在很远的距离上形成天空光[6-9]。