室内天然采光和人工光源照明场景不舒适眩光测量方法研究

张晓颖 ZHANG Xiao-ying；田甜 TIAN Tian

（陕西省计量科学研究院，西安 710065）

0 引言

天然光环境是人们长期习惯和喜爱的工作环境，人类长期进化以来，人眼对天然光已经形成了很好的适应机制，天然光比人工光更能满足人的生理及心理需求。在建筑设计中，天然光通常是室内照明首选光源，但是它具有不均匀性、容易产生眩光等特性，在仅有天然采光时，远离窗户区域照度较低，常需要人工光源补光。优秀的室内照明设计应按照采光最优，眩光危害最轻的思路来设计，既要为室内提供足够光线，又要确保光环境的舒适性，还能够节约能源。

眩光是衡量照明环境舒适性和评价照明质量的重要指标之一。眩光一般来源于侧窗，阳光直射会导致部分区域过亮，直接照射或间接反射导致眩光。目前国内研究重点都考虑灯具产生的直接眩光和眩光测量方法，朱王尊等人研究了瞄点式亮度计和成像式亮度计测眩光方法的比较，得出成像式亮度计测量能减小误差的结论[1]；康品春对不同照明环境中眩光评价的国内外标准以及检测技术的发展和现状做了详细介绍[2]。室内照明在白天以天然光照明为主，人工光源照明为辅，晚上只用人工光源照明。针对室内天然采光和人工光源照明相结合产生的眩光研究相对较少。本文综合考虑两方面因素对照明质量进行评价，首先对眩光理论进行了阐述；其次采用对比方法，研究在开灯和不开灯两种情况下照度、统一眩光UGR（Unified Glare Rating） 和窗的不舒适眩光DGI（Daylight Glare Index）变化情况，验证了室内照明灯具常亮，依然是大部分人办公区域和居家的常用模式。根据实测数据，给出不同照明场景下眩光评价建议，对现场照明眩光测量评价和减少眩光影响具有积极意义。

1 室内照明场所的眩光和照度

1.1 眩光及其来源

眩光是由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适的感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。长期生活在眩光严重的照明环境中，不但会降低工作效率，且不利于身心健康。眩光形成的主要原因：眩光源发出的散射光进入人眼后，形成光幕叠加在视网膜上，光幕会降低环境与目标物体的对比度，减缓人眼的反应速度，使人眼难以看清目标。眩光分为不舒适眩光和失能眩光。不舒适眩光主要发生在建筑室内照明环境，失能眩光常见于室外环境。室内照明场所不舒适眩光，主要来源于天然光和人工光源引起的直接眩光和反射眩光，不舒适程度评估是照明舒适性评价指标的重要组成部分。

1.2 工作面水平照度

室内照明环境某一点从天空获得的直射光的量，取决于在该点通过窗户所看到的天空的面积。距离窗户越远，该点的照度就越小，反之亦然。GB 50033-2013《建筑采光设计标准》第4.0.8 条款规定侧面采光时，办公建筑的办公室、会议室，采光等级为III 级，室内天然光工作面水平照度标准值不应低于450lx[3]。GB 50034-2013《建筑照明设计标准》第5 章规定，办公建筑中普通办公室照明标准值300lx[4]。对于侧窗采光的室内场所，由于照度变化很大，较难做到视野范围内照度均匀。我国的建筑多数开窗面积并不小，但采光条件差，主要原因：一是对采光的窗户未进行定期的擦洗和维修，致使玻璃污染严重，透光率很低；二是建筑设计室内景深较大，远离窗户的区域照度较低。因此白天办公区域和居家环境大部分时候都要开灯，以弥补光线不足的缺陷。

2 室内不舒适眩光的评价方法

室内眩光属于不舒适眩光，常见的方法有：国际照明委员会（CIE）提出的统一眩光评价UGR；英国提出窗的不舒适眩光指数DGI，我国国家标准结合英国DGI 分级方式，调整了DGI 值评价范围。眩光指数评价范围见表1。

表1 眩光指数评价范围

2.1 窗的不舒适眩光DGI

天然光眩光的评价指标为窗的不舒适眩光指数DGI，又称为白昼天然光眩光指数，适用于窗户一类的大面积自然采光眩光源，特指由窗引起的不舒适眩光。GB 50033-2013《建筑采光设计标准》提出使用DGI 作为我国天然光眩光评价指标，并按照采光等级划分。办公建筑的办公室、会议室，采光等级为III 级，DGI 不应高于可接受值25。DGI 按公式（1）进行计算：

式中：

Ls—窗亮度，通过窗所看到的天空、遮挡物和地面的加权平均亮度，cd/m2；

Lb—背景亮度，观察者视野内各表面的平均亮度，cd/m2；

ω—窗对计算点形成的立体角，sr；

Ω—窗对计算点形成考虑窗位置修正的立体角，sr。

2.2 人工光源眩光评价指标UGR

人工光源的眩光评价指标常用统一眩光值（UGR），主要是针对于小的、静态的人工光源的眩光，UGR 表征了照明装置发出的光对人眼造成不舒适感主观反应的心理参量。GB 50034-2013《建筑照明设计标准》规定公共建筑和工业建筑常用房间或场所的不舒适眩光应采用统一眩光值（UGR）评价，且最大允许值不超过相应规定。UGR 并不是测试、计算、评价某一灯具的不舒适眩光程度的值，而是评价要测试的整个照明空间所有照明灯具引起的不舒适眩光值。眩光等级是区间量表，介于10～30，数值越大感受越不舒适。室内照明的UGR 测试方法，适用于双对称配光灯具，视线应水平朝前观测，测量高度为坐姿取1.2m，站姿取1.5m。当测试中的光源发光部分面积在0.005m2＜S＜1.5m2范围时，按公式（2）计算对应的眩光值。

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式中：

Lb—背景亮度，cd/m2；

L—观察者眼睛方向上每一个灯具发光部分的亮度，cd/m2；

ω—观察者眼睛中每一个灯具发光部分的立体角，sr；

p—每一个灯具的古斯位置指数（相对于视线的位移）。

2.3 不舒适眩光测量方法

对于室内照明现场眩光值的测量，依据GB/Z 26212-2010《室内工作环境的不舒适眩光》[5]，有两种测试方法：一种为瞄点式亮度计测量法，使用瞄点式亮度计、激光测距仪等设备，测量每一个灯具发光面面积、灯具位置信息等，计算眩光值；另一种为成像式亮度计测量法，测量原理是眩光源亮度与其对应像素的亮度响应成正比，通过阈值判定，选择背景亮度，眩光源的发光尺寸与其在亮度图像上占据的像素区域面积成像对应，眩光源与观察方向相对位置角度通过对应像素与中心像素点的偏离以及镜头的焦距计算得到，最终计算出眩光值。随着测量技术的不断发展进步，更多采用成像亮度计测量方法，不仅能减少人为测量误差，还能快速、准确测量，测量数据重复性较高。

3 照度和不舒适眩光测量过程及结果

3.1 测量场景和条件

测量场景：办公室长9.2m，宽6m，有2 个南向窗户，侧窗采光。室内靠窗户放置2 张办公桌，靠北墙放置2 张办公桌，桌高0.75m。室内顶棚均匀嵌入4 个方形格栅荧光灯。

测量设备：照度计（型号ST-80C），基于成像式亮度计原理且鱼眼镜头为EF8-15mm 的GM-1200 型号眩光测量仪。

测量程序：先关闭办公室照明灯具，仅在天然采光条件下用照度计分别测量4 个办公桌上照度值。使用眩光测量仪，测量高度为坐姿取1.2m，视线水平朝前观测，分别测量室内不舒适眩光DGI 和UGR。然后打开照明灯具，在天然采光和人工照明光源结合的条件下，重复以上步骤测量并记录照度、DGI、UGR 数据。

3.2 测量结果及分析

①南向采光办公室窗的不舒适眩光DGI 测量见图1，图2。

图1 天然采光DGI 测量图

图2 人工光源和天然采光结合的DGI 测量图

图1仅有天然采光，测得DGI=21.6，背景亮度：34.82 cd/m2；图2 人工光源和天然采光结合，测得DGI=21.1，背景亮度：41.88cd/m2。通过人工照明补光，提高了办公室照度均匀度，整体背景亮度上升7.06cd/m2，但眩光源仍然主要为窗户大面积天然采光，根据DGI 公式可知背景亮度与眩光成反比，实测UGR 由21.6 降低至21.1。DGI 均未超过GB 50033-2013 规定的办公室、会议室DGI 不应高于可接受值25 的要求。

②南向采光办公室统一眩光值UGR 测量见图3，图4。

图3 天然采光UGR 测量图

图4 人工光源和天然采光结合的UGR 测量图

图3仅有天然采光，测得UGR=24.3，背景亮度：35.31cd/m2；图4 人工光源和天然采光结合，测得UGR=23.7，背景亮度：41.33cd/m2。通过人工照明补光，提高了办公室照度均匀度，整体背景亮度上升6.02cd/m2，但眩光源仍然主要为窗户大面积天然采光，根据UGR 公式可知背景亮度与眩光成反比，统一眩光值会降低，实测UGR 由24.3 降低至23.7。UGR 已超过GB 50034-2013 标准中表5.3.2规定的办公建筑照明普通办公室UGR 限值19。

③南向采光办公室照度、窗的不舒适眩光DGI、统一眩光值UGR 测量结果见表2。

表2 南向采光办公室照度和眩光测量结果

由测量数据可知：

①南向采光的办公室，距离窗户越近，桌面照度越大；距离窗户越远，桌面照度越小。在未开灯时，靠近窗户的桌面照度460lx、605lx，达到国标规定的照度450lx 限值，但靠近北侧墙壁的桌面照度不足200lx；开灯后室内照度均值从350lx 提升至484lx。满足GB 50034-2013 办公室照度最小限值300lx。这也验证了在白天有采光时室内照明灯具常亮，增加远离窗户区域的照度，提高照度及其均匀性，是我国办公区域和居家的常用模式。

②眩光源亮度、眩光源立体角、背景亮度以及视线与眩光源之间的位置参数等都是影响不舒适眩光的重要因素。由于本次测量位置固定，立体角和位置参数基本不变，DGI 和UGR 主要与眩光源亮度和背景光亮度有关。打开人工照明光源后，背景亮度提高，对灯具产生的眩光“抵消”一部分，DGI 由21.6 减小为21.1，UGR 由24.3 减小为23.7，人们感知到的眩光会减少。

③在人工光源和天然采光结合场景中评价不舒适眩光，UGR 公式适用条件中，虽然作为眩光源的窗户单个分区面积满足光源发光部分面积在0.005m2＜S＜1.5m2范围要求，但窗户并不是双对称配光灯具，造成的测量偏差较大。因此，白昼时人工光源和天然采光结合的室内不舒适眩光评价，不适宜采用UGR 评价，而使用窗的不舒适眩光评价指标DGI 更合适；夜晚只有人工光源照明应采用UGR 评价室内不舒适眩光。

4 结论

本文研究了天然采光和人工照明光源结合的照明场景、室内不舒适眩光测量方法。通过测量实例发现：同一测量位置，打开室内人工照明灯具，会提高照度及其均匀性，减少房间明暗对比，提升背景亮度，从而降低不舒适眩光。白昼时天然采光和人工光源结合的室内不舒适眩光评价，应采用窗的不舒适眩光评价指标DGI 更合适；夜晚室内只有人工光源照明时，应采用统一眩光UGR 评价。在实际应用中采用百叶遮阳、低光泽度的表面装饰材料、合理设计灯具布局和安装角度等措施均能减少室内不舒适眩光的影响，按照采光最优，眩光危害最轻的思路，营造健康舒适的照明环境。