國(guó)際照明委員會(huì) (CIE)第三分部2011研究進(jìn)展綜述*

張 昕 趙曉波

(1.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084;2.《照明設(shè)計(jì)》(中文版)雜志社，北京 100084)

本文通過(guò)綜述南非2011CIE大會(huì)的邀請(qǐng)報(bào)告、大會(huì)報(bào)告、張貼論文報(bào)告、張貼論文、專題論壇、分部會(huì)議、技術(shù)委員會(huì)會(huì)議，對(duì)于第三分部的研究熱點(diǎn)和成果綜述如下。第三分部 (室內(nèi)環(huán)境與照明設(shè)計(jì))目前的研究熱點(diǎn)為:(1)基于動(dòng)態(tài)氣象參數(shù)模型的地域性光環(huán)境研究;(2)各種類(lèi)型建筑空間中的光環(huán)境熱點(diǎn)問(wèn)題研究 (生理、心理、節(jié)能等);(3)對(duì)自然光產(chǎn)生的不舒適眩光的研究;(4)圖像技術(shù)在室內(nèi)光環(huán)境研究與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;(5)LED于室內(nèi)照明系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

1 基于動(dòng)態(tài)氣象參數(shù)模型的地域性光環(huán)境研究

Martinez等提出了對(duì)于動(dòng)態(tài)氣象參數(shù)模型的新的天空劃分方式。天空劃分方式對(duì)于模型的計(jì)算準(zhǔn)確性和耗時(shí)有著直接的影響。該研究將太陽(yáng)路徑和太陽(yáng)附近區(qū)域納入天空劃分的方法中，通過(guò)大量的有效性驗(yàn)證證明了此劃分方式的準(zhǔn)確性 (至少30%的提升)。有效性驗(yàn)證在裝有21個(gè)光感應(yīng)器和2臺(tái)數(shù)碼像機(jī)的辦公室中進(jìn)行，將模擬值與測(cè)量值進(jìn)行了比對(duì)分析。

Mardaljevic等人對(duì)于英國(guó)居住建筑進(jìn)行了天然光環(huán)境的參數(shù)模型研究。獲得更為有效采光值的訴求對(duì)于模擬方式選擇、縮減模擬數(shù)據(jù) (獲得更易懂的參數(shù))增加了復(fù)雜度，目前對(duì)于模擬參數(shù)的構(gòu)成仍沒(méi)有定論，非民用和居住建筑的評(píng)估程序也有所不同，尚不明確單一參數(shù)是否適用于這兩類(lèi)建筑。該研究以居住建筑為樣本，調(diào)研采光系數(shù)對(duì)于居住建筑的適用性。除計(jì)算采光情況、預(yù)測(cè)照明用電外，研究者還發(fā)展了非視覺(jué)效應(yīng)的參數(shù)方程。

C.Aghemo等人基于典型的大陸氣候區(qū) (都靈)和地中海氣候區(qū) (巴勒莫)開(kāi)展基于動(dòng)態(tài)氣象參數(shù)的建筑外觀影響研究。研究了自然光對(duì)房間朝向、進(jìn)深、窗戶面積及朝向不同的辦公室樣本的影響參數(shù)。通過(guò)Daysim軟件計(jì)算采光系數(shù) (DF)和動(dòng)態(tài)采光性能參數(shù) (DDPM)，評(píng)估將其作為地區(qū)性自然光預(yù)測(cè)手段的靈敏度，發(fā)展了一套通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬描述不同時(shí)段采光值的方法。

Naves等人使用動(dòng)態(tài)模擬程序研究部分建筑變量 (窗戶面積、內(nèi)部反射比和對(duì)采光進(jìn)深有特別影響的外部遮擋)對(duì)巴西居住建筑的采光影響。通過(guò)Daysim軟件運(yùn)行了220個(gè)模擬程序，分析了巴西10個(gè)不同緯度中10個(gè)城市的4個(gè)方向采光。得到了一些簡(jiǎn)單的規(guī)則，保證全年70%的日照時(shí)數(shù)內(nèi)70%房間區(qū)域的采光水平 (按居住建筑最低60 lx)，這些規(guī)則將應(yīng)用于巴西居住建筑能源效率規(guī)定。

2 各種類(lèi)型建筑空間中的光環(huán)境熱點(diǎn)問(wèn)題研究 (生理、心理、節(jié)能等)

Goven等人研究了環(huán)境光對(duì)于兒童的行為、情緒、內(nèi)分泌系統(tǒng)及其他因素的影響。多項(xiàng)研究表明以照明條件為代表的自然環(huán)境因素構(gòu)成了兒童的成績(jī)不佳、行為不當(dāng)以及疲勞的影響因素，該研究展示了2008年10月到2009年5月間所作調(diào)研的部分成果。

Noguchi等人研究了黎明視覺(jué)對(duì)于小學(xué)生生活質(zhì)量的影響。記錄了從2007年12月到2008年1月間30天內(nèi)33所小學(xué)學(xué)生的睡眠和生活方式，這段時(shí)間的日照時(shí)間相對(duì)較短。每個(gè)實(shí)驗(yàn)日中，每戶家庭都隨機(jī)選擇是否使用黎明模擬器。在日出前30分鐘內(nèi)，房間的照明逐漸提高到100 lx或眼睛可察覺(jué)的更高水平。使用了黎明模擬器 (DS)的學(xué)生的睡醒情緒明顯好于沒(méi)有使用黎明模擬器的學(xué)生。此外，使用黎明模擬器的學(xué)生在白天的情緒和對(duì)學(xué)習(xí)的集中度都有顯著提高。上述結(jié)果表明，黎明模擬器可以改進(jìn)學(xué)生的睡眠習(xí)慣和提高學(xué)校生活的質(zhì)量。

Tralau等人研究了旨在增加顧客訪問(wèn)率的感覺(jué)指向的商店照明設(shè)計(jì)方法。

Vandahl等人研究了工廠工作空間中的光與健康。目前的標(biāo)準(zhǔn)和指南主要指向視覺(jué)效應(yīng)和舒適度，仍不包括生物學(xué)非視覺(jué)效應(yīng)，諸如燈光對(duì)人體的褪黑激素抑制、晝夜節(jié)律的延遲或提前、晝夜節(jié)律的穩(wěn)定和靈敏度的提高等方面的影響。在TU Ilmenau正在進(jìn)行一項(xiàng)研究，旨在分析工廠內(nèi)生物學(xué)燈光的效用。

Gvozdev等人研究基于高能效LED照明裝置的載人飛船光環(huán)境，研究RGB彩色照明裝置對(duì)視覺(jué)健康和部分生理參數(shù)的影響。

Villa等人研究辦公室照明中節(jié)能和視覺(jué)舒適之間的平衡點(diǎn)。使用多目標(biāo)優(yōu)化方法優(yōu)化建筑參數(shù)，用于鑒別辦公照明的效率和舒適度。

3 對(duì)自然光產(chǎn)生的不舒適眩光的研究

Sugano等人引用Guth的位置參數(shù)，使用照明圖像提供眩光計(jì)算系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn):(1)視亮度值與不舒適眩光呈非線性關(guān)聯(lián);(2)一定數(shù)值以下的視亮度值對(duì)不舒適眩光沒(méi)有影響;(3)大尺寸對(duì)比的影響很小。研究者獲得了不舒適眩光的方程式和不舒適眩光圖像的分類(lèi)。

Matusiak等人在挪威研究委員會(huì)資助的科研項(xiàng)目“半透明外觀”中，研究自然光傳輸和分布、眩光風(fēng)險(xiǎn)、建筑立面保持與室外視覺(jué)接觸的能力、不同的半透明建筑立面引起的室內(nèi)顏色變換等課題。

Nagayoshi等人研究由防眩滿意的調(diào)光百葉提供的視覺(jué)聯(lián)系與照度分布。為避免窗戶產(chǎn)生的不舒適眩光，提議使用基于PGSV的可控窗簾。根據(jù)本研究提議的窗簾建立模擬程序，分析其與建筑立面的距離、百葉片間距/寬度比率 (S/W)/反射比對(duì)百葉片角度的影響，20%的百葉片角度保持不舒適眩光可以被接受。

Iwata等人使用亮度分布圖像對(duì)威尼斯百葉窗進(jìn)行不舒適眩光評(píng)估。本研究旨在使用照明分布圖像、日光眩光機(jī)率 (DGP)、測(cè)算眩光感覺(jué)優(yōu)選系統(tǒng)(PGSV)和基于統(tǒng)計(jì)值的指標(biāo)［平均亮度值和中間亮度值的比率 (Lmean/Lmedian)］評(píng)估三種測(cè)量方法，涵蓋所有的自然光眩光條件。DGP、PGSV和Lmean/Lmedian顯示出與主觀評(píng)價(jià)很高的關(guān)聯(lián)系數(shù)。DGP并不適于測(cè)量對(duì)比眩光，而 Lmean/Lmedian方法適合，5(Lmean/Lmedian)被視為是將不舒適眩光保持在可接受水平的目標(biāo)值。

Li等人通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和探索性因子分析研究印刷文本閱讀中自然光眩光因素的關(guān)系結(jié)構(gòu)。探索性因子的重要性通過(guò)聯(lián)合分析卡排名實(shí)驗(yàn)計(jì)算。研究5個(gè)可調(diào)節(jié)因素 (窗簾、環(huán)境光光色、環(huán)境光照度、工作人員與窗戶的距離、臺(tái)燈的使用)的重要性排名，結(jié)果顯示印刷文本閱讀的環(huán)境主要包括主觀生理?xiàng)l件、書(shū)本的興趣程度、環(huán)境條件和可感知生理?xiàng)l件。主觀生理?xiàng)l件最為重要，在糾正當(dāng)前的眩光模式中應(yīng)為首要因素，窗簾的使用是最重要的可調(diào)節(jié)因素。

4 圖像技術(shù)在室內(nèi)光環(huán)境研究與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Cai等人研發(fā)了一種高速動(dòng)態(tài)攝影技術(shù)用于照明質(zhì)量分析。傳統(tǒng)的使用照度計(jì)的方法雖可靠，但并不適用于普通的非均勻表面。HDR圖像技術(shù)使用普通數(shù)碼像機(jī)，記錄1～2分鐘內(nèi)某一區(qū)域的照明數(shù)據(jù)，但并不分析該區(qū)域的幾何形狀，該缺陷令HDR技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確分析照明質(zhì)量。該研究通過(guò)將攝像測(cè)量技術(shù)融入HDR圖像技術(shù)，建立高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR)攝像測(cè)量技術(shù)，以快速、可靠、全面的方式在像素成像的基礎(chǔ)上計(jì)算整個(gè)表面的照明和完全坐標(biāo)XYZ，大大提高了照明質(zhì)量評(píng)估的準(zhǔn)確性。

Nakamuara等人研究了使用亮度圖像進(jìn)行照明設(shè)計(jì)的方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找計(jì)算“恰好滿意的照明條件 (JSLC)”的客觀方法，通過(guò)使用由照明圖像轉(zhuǎn)換的光度圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)日常文案、顯示屏工作的亮度值和背景亮度值可判斷該工作任務(wù)的JSLC，也可通過(guò)測(cè)算亮度圖像中的特定亮度值區(qū)域的大小計(jì)算房間的JSLC。

Scarazzato等人討論高動(dòng)態(tài)圖像 (HDR)在分析天然光分布和鑒別某一地區(qū)普遍氣象類(lèi)型中的可能性，根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)15469:2004(CIE S 011/E:2003)，這是由CIE在1990年代提出的替換IDMP站的方法。這種方法成本低、安裝簡(jiǎn)單、操作和維護(hù)成本低、結(jié)果可靠，可以在以圖像為基礎(chǔ)的天然光模擬軟件 (IBL)中使用。

Zhang等人研究了“Gloom”的預(yù)測(cè)工具，展示了最近在分析黑暗或有照明的室內(nèi)表面條件的研究結(jié)果。本課題在20年前已分析過(guò) (Julian，1988;Shepherd，1990)，但該研究使用了新技術(shù)，可以更詳細(xì)地檢驗(yàn)亮度、對(duì)比和視亮度。論文集中了無(wú)窗房間的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)平均房間表面亮度是很好的預(yù)測(cè)，也支持Cuttle關(guān)于將房間表面出射度視為設(shè)計(jì)工具的提議 (2008)。對(duì)于有窗的房間，平均房間表面出射度并不構(gòu)成充分條件，提議使用房間視亮度。初步模式測(cè)試也展示了其作為設(shè)計(jì)輔助工具的潛力。

5 LED于室內(nèi)照明系統(tǒng)的應(yīng)用研究

Davis等人研究了大量不同種類(lèi)光源的相關(guān)色溫，判斷其“冷”、“暖”感受，利用該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算中性白光 (即不暖也不冷)的相關(guān)色溫。在兩個(gè)照明水平下測(cè)試照度對(duì)“溫暖”和“寒冷”感受的影響。試驗(yàn)結(jié)論:3600K到4500K范圍的相關(guān)色溫可視為中性白光;上述結(jié)論在50 lx和200 lx照明水平下并沒(méi)有明顯的差異。

Knoop等人依托2010年CIE第3分部設(shè)立的技術(shù)委員會(huì)調(diào)查現(xiàn)有的LED質(zhì)量評(píng)估方法，以及LED照明系統(tǒng)計(jì)算室內(nèi)照明質(zhì)量的適用性。論文回顧三種質(zhì)量評(píng)估方法，分析技術(shù)委員會(huì)用以檢查現(xiàn)有質(zhì)量評(píng)估的方法，介紹了技術(shù)委員會(huì)推薦的新的質(zhì)量評(píng)估方法。

Piccablotto等人進(jìn)行了博物館展柜的LED照明質(zhì)量評(píng)估。通過(guò)在保護(hù)和儲(chǔ)藏中心“La Venaria Reale”(都靈)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析LED照明系統(tǒng)在典型博物館展柜中的應(yīng)用，評(píng)估不同類(lèi)型的LED燈具在展柜內(nèi)不同位置時(shí)的照明質(zhì)量，包括與文物保護(hù)相關(guān)的LED光譜和散熱等參數(shù)。

Ryckaert等人評(píng)估了LED線性燈具 (替代熒光燈)的表現(xiàn)。計(jì)算并比對(duì)了12種LED線性燈具產(chǎn)品的光學(xué)和電子參數(shù)，并監(jiān)控其數(shù)據(jù)變化，同時(shí)分析在不同照明分布條件下的燈具視覺(jué)效果。在一個(gè)小型辦公室中以LED線性燈具替換T8熒光燈，比較辦公室中的照度分布，認(rèn)為L(zhǎng)ED線性燈具替換T8熒光燈管后具有不可低估的視覺(jué)影響。

Veitch等人根據(jù)此前與個(gè)人控制照明相關(guān)的研究，測(cè)試可調(diào)節(jié)光源光色和初始LED光譜對(duì)工作人員的感知度、情緒、工作環(huán)境滿意度的影響。

6 其他

Favero等人旨在探索一種新方法，將自然光與人工照明結(jié)合進(jìn)行用戶對(duì)建筑區(qū)域的體驗(yàn)定義。這一體驗(yàn)基于燈光、視覺(jué)、生理/心理三個(gè)系統(tǒng)。

Darula等人根據(jù)天空亮度分布建立了人工天空，計(jì)算管式導(dǎo)光系統(tǒng)的傳輸效率 (LTE)。測(cè)算結(jié)果顯示天空亮度分布對(duì)于管式導(dǎo)光系統(tǒng)傳輸效率的影響很大。

Tralau等人以 LiTG(Deutsche Lichttechnische Gesellschaft)的報(bào)告為基礎(chǔ)，探討照明質(zhì)量的廣義定義與統(tǒng)一術(shù)語(yǔ)。

Müller等人介紹了一種基于動(dòng)態(tài)光概念的集成立面技術(shù)。影響能源的設(shè)備將納入絕緣玻璃中與影響熱量和視覺(jué)舒適度的設(shè)備結(jié)合。日光汲取設(shè)備和LED照明對(duì)于房間區(qū)域的視覺(jué)舒適度很重要，靠窗區(qū)域采用集成的LED燈管照明，表皮的自由空間用以利用太陽(yáng)能。

Fotios等人分析了使用可調(diào)節(jié)評(píng)價(jià)確定照度水平喜好的研究方法的有效性。本研究試驗(yàn)調(diào)節(jié)方法以鑒定用戶對(duì)照明的偏好?；诖饲袄谜彰髡{(diào)節(jié)的研究和當(dāng)前基于調(diào)研的研究結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，認(rèn)為“調(diào)節(jié)方法對(duì)于評(píng)估平均優(yōu)選照度并無(wú)太大價(jià)值”。有證據(jù)表明，如用戶可以自行決定照明水平，其對(duì)于可視環(huán)境的滿意度將增加。因此，謹(jǐn)慎選擇控制變量 (可調(diào)范圍和初始值)為減少照明提供了機(jī)會(huì)，既降低能耗又維持了用戶滿意度。

Fotios等人探討了可用于顯示屏的合適的照明條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究照明、顯示屏和顯示屏反射可接受度之間的關(guān)系。結(jié)果顯示屏幕反射光源的最大可接受亮度可以從4個(gè)照明和顯示參數(shù)中測(cè)算出:屏幕鏡面反光度、霧面反射效果、屏幕背景亮度和反射光源尺寸。結(jié)果用于建立一個(gè)新的屏幕反射可接受度測(cè)算模型，該模型支持兩種照明設(shè)計(jì)方法:①筆記本優(yōu)先法，首先分析屏幕特征，再挑選適合屏幕的照明;②照明優(yōu)先法，首先分析視覺(jué)環(huán)境特征，再確定顯示屏的最低規(guī)格參數(shù)。

與第三分部相關(guān)的專業(yè)論壇共三場(chǎng)，概述如下:

(1)光與健康

TC 3-46在2007CIE大會(huì)之后制定了一個(gè)研究方案，以提取專家認(rèn)為的研究、實(shí)踐中必要的信息，2011年7月初步報(bào)告完成。CEN TC 169的一個(gè)小組曾認(rèn)為應(yīng)頒布一個(gè)歐洲標(biāo)準(zhǔn)“照明對(duì)人體的非視覺(jué)影響”，但此提議招來(lái)非議，部分專家認(rèn)為還需要進(jìn)一步的研究結(jié)果才能制定新的標(biāo)準(zhǔn)。本研討會(huì)的目標(biāo)是從寬泛?jiǎn)栴}“應(yīng)該改變照明實(shí)踐嗎”轉(zhuǎn)向細(xì)節(jié)問(wèn)題。討論結(jié)果將作為T(mén)C 3-46報(bào)告的修正，或成立新的TC(D3或D6)。討論問(wèn)題包括:①如何使用提議的標(biāo)準(zhǔn);②此標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)是否沖突;③聽(tīng)眾是否同意TC 3-46的研究項(xiàng)目提議;④如果研究項(xiàng)目可接受，如何進(jìn)行必要的研究工作。

(2)老年人與視覺(jué)殘障人士

CIE已經(jīng)建立的將近一個(gè)世紀(jì)的標(biāo)準(zhǔn)體系，是以年輕、視力好的理想觀察者為基礎(chǔ)的。然而在過(guò)去兩年里，老齡化和視力障礙已成為一個(gè)真正值得關(guān)注的問(wèn)題。CIE期望建立章程、標(biāo)準(zhǔn)、條例以及相關(guān)的參數(shù)、計(jì)算方法、測(cè)量程序。該討論基于:①顯示老年人及視覺(jué)受損人群的視覺(jué)系統(tǒng)是如何區(qū)別于參考觀察者的基本原理陳述;②部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果陳述;③基于亮度、照度、眩光控制及其他健康問(wèn)題的照明要求的相關(guān)討論。

(3)不舒適眩光

目前通用兩種評(píng)估不舒適眩光的模型:視覺(jué)舒適度概率 (VCP)和統(tǒng)一眩光指數(shù)。二者都以光源尺寸、與觀察者的相對(duì)位置、背景亮度和光源亮度進(jìn)行評(píng)估。這兩個(gè)模型的建立和使用經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的爭(zhēng)論，但這些爭(zhēng)論都未能?chē)?yán)肅地提出建立一個(gè)通用模型，以解釋不舒適的原因。少數(shù)人提出心理變量對(duì)不舒適度的影響，并已有不同的模型評(píng)估自然光引起的不舒適度。本研討會(huì)全面討論現(xiàn)有模型的適用性，并建立新的或改進(jìn)已有模型。

［1］CIE 27thSession-Proceedings Volume1.27thSession of the CIE South Africa 2011.