泛光照明设计中光污染限制方法

泛光照明设计中光污染限制方法

1引言

现代化建筑的外表面材料越来越高档化，镜面光泽度也不断增大；同时，城市夜间景观照明建设在蓬勃开展，建构筑物外立面的的泛光照明也是随处可见。由于不等反射后射向天空的光越来越多，进一步加剧了城市上空的光污染程度，是城市上空笼罩了更为严重的一层光雾。主要是泛光照明的室外照明一起造成光污染，不仅影响天文观察，而且还会危害人们的健康。

国际上早在上一个世纪七十年代对光污染问题就已引起人们的重视，并进行了大量调查研究，在国际照明委员会（CIE）组织下，先后出版了《减少靠近天文台的城市天空光的建议》(CIE第01号出版物)和《城市光天空——天文学的烦恼》（CIE第X8号特殊出版物）两个技术文件。目前，CIE正在编写《室外照明干扰光的限制》等技术报告。但是，CIE和工业发达国家关于防止光污染的规定和标准中，仅对灯具直接射向天空的光量占全部射出光量的百分比——向上浪费的光量比作了限制，即对上方光束比作了限制；但是，对于经过第物表面反射到天空的反射光形成的光污染却没有相应的标准和规定加以限制，除了限制泛光照明和广告、标志照明亮度外“无计可施”。由于现代化建构筑物外表面的镜面光泽度较大，由下向上照射的投光灯的光经过外墙表面发射后射向天空的反射光越来越多，对城市天空的光污染贡献也更大，并成为光污染不容忽视的一个重要成因，必须加以研究解决。

2泛光照明标准

在进行建筑物里面泛光照明设计时，通常是根据CIE的照度推荐值进行计算的，并假设被照表面属于漫反射范围；但是由于表面的镜面光泽度较大情况，即当规则反射占主要时，就不能采用仅适用于与漫反射情况的亮度和照度之间的关系式（L=Eρ/π）计算出亮度值，而只能通过实验来确定。由此看来，要使泛光

照明亮度标准能够用于现代化建筑物立面泛光照明情况，就必须引入不同方向的亮度修正系数概念。

(1) 不同方向的亮度修正系数

为了便于泛光照明计算中的应用，可采用不同方向的亮度修正系数，它就是将被照物表面看成是均匀亮度表面时平均两度Lav于视看方向的亮度L(i,β)的比值：

K(i,β)= Lav / L(i,β)

i——光的入射角，即是入射光方向与被照表面法线之间的夹角；

β——观察角，即是观察方向与被照表面法线之间的夹角；当光入射方向和观察方向处于异侧时，β角为负值；当光入射方向和观察方向处于同侧时，β角为正值。

因为镜面光泽度较大的建筑物表面对光的反射属于混合反射范畴，即是规则反射和漫反射兼有的反射。因此，射向天空的光的多少与投光的的照射方向和被照表面的镜面光泽度大小等有关。现在用WYG—45光电光泽计，按国标GB9966. 5—88规定，测的现代化建筑物外表面常用的两种贴面材料镜面光泽度结果如表1所示。

表1常用的建筑物贴面材料的镜面光泽度

从表1看，表中釉面砖的镜面光泽度比粉刷墙表面的光泽度（约2.4）大了很多倍。可以预料到，当投光灯由下往上照射建筑物立面时，将有较多的反射光射向天空形成光污染。

对于漫反射表面而言，如果投光灯射出的光全部射到建筑物立面上，且不考虑二次反射光等影响时，那么，此时建筑物立面反射后射向天空的光通量可以近似Φλρ/2（ρ为建筑物立面平均反射比，Φλ为投光灯入射到建筑物立面上的光通量），即漫反射表面把投光灯的出射光反射后射向天空的最大可能光通量约占总反射光通量的一半。值得注意的是，在实际情况下，该值大小将受到建筑物立面形状和构造等影响。而对于如表1中所示的建筑物常用的贴面材料，则当投光灯由下往上照射建筑物立面时，由其反射到天空的光通量降大雨反射光通量的一半，而且该值的大小与不同方向的亮度修正系数大小有关，即K(i,β)值的倒数成正比例关系。

利用分布光度计测得乳白色釉面砖不同方向的修正系数如表2所示。

表2乳白色有面砖不同方向的亮度修正系数

从表2中可以看出，当投光灯以较大入射角照射到乳白色釉面砖实墙面上时，在光入射方向的异侧，且反射角和入射角相等的方向上亮度最大（即K(i,β)最小），这就说明了如在该方向看时，则可以看到明亮的光斑。假设投光灯由下往上拔出射光全部照射到均是平坦同质地的墙面上，且不考虑二次反射光和砖逢等影响，同样利用分布光度计测得并估算出投光灯在不同入射角i时，经墙面反射后射向天空的光通量占总反射光通量的比例如表3所示。

表3不同釉面砖墙最大可能反射后射向天空的光通量占总反射光通量的比例

从表3中可以看出，对于统一品种的釉面砖来说，随着光入射角i增大，建筑物立面最大可能反射后射向天空的光通量就越来越多；当入射角i趋向八十度

以上时，几乎把绝大部分入射到该墙面上的光通量经反射后射向天空，这就加剧了城市上空的光污染程度。但是入射角太小，则易使投光灯照射到墙面后产生扇贝形光斑或是墙面过于平坦等。从表3和表1看出，当光的入射角约在四十五度至六十无度范围内，釉面砖的镜面光泽度越大，则该面把光反射到入射光另一侧的比例也较多，即它们的相关性比较好。

(2) 泛光照明的亮度标准

在不同的背景亮度时，CIE推荐的被照面上平均亮度标准分别是：当背景较暗时，亮度值为4cd/m2；当中等背景亮度时，亮度值为6cd/m2；当背景较亮时，强度值为12cd/m2。在实际应用时，为了保证泛光照明效果，除了进行不同方向的亮度修正外，还要对下述影响因素进行修正。

a是光源种类修正。一般是当暖色调建筑物表面用暖色光照明，或冷色调建筑物表面用冷色光照明时，光源种类修正系数取最小值，即取0.9或1；当光源色和被照物表面色调不一致时，光源种类修正系数取大值，即1.1—1.3。

b是被照物表面污染程度修正。当被照物表面光反射比越小和表面较清洁时，表面污染程度修正系数取最小值，如1.5；当被照物表面反射比越大和表面较脏时，表面污染程度修正系数取最大值，如10。

c是近地大气对光的衰减影响修正。当景观点和被照面之间的距离较大时，不进行近地大气对光的衰减影响修正，即该修正系数为1；当景观点和被照面之间的距离较远时，近地大气对光的衰减影响修正系数大于1。具体指可由不同的气象情况对应的每1km大气透过率和光束通过的距离确定，也可由现场实测确定。

d是被照距离修正。当光源和被照表面相距较近时，就取被照距离修正系数为1，即不作修正；当光源和被照表面相距较远时，宜把亮度标准值提高30%，或根据被照面与灯具的相对位置、灯具配光曲线等情况时的实测值确定。