引言

近年来, 随着绿色照明的兴起, 更环保更节能的灯具逐渐出现在人们的视野中并逐渐地取代传统的照明光源, 同时随着人们对体育运动的参与度提高, 体育场地的照明问题也越来越受到重视。为了提供给运动员及观众一个舒适的光照环境, 体育场所照明灯具眩光的控制显得尤其重要。体育场所照明设计以往只是解决环境的照度问题, 显然这样的设计在体育照明中是不可取的。体育照明不能只顾照度, 而不考虑高亮度的灯具带来的眩光影响, 如何在达到照度的要求下减弱眩光的影响且保证照度的均匀才是一个重要的研究课题。

由于眩光的算法有很多种, 不同运动场所所适用的算法各不相同, 本文以篮球馆的照明为设计样板, 分析眩光的产生原因。通过控制非光源因素来减弱眩光的影响, 主要通过灯具的合理排布, 改变灯具的功率, 选择合理的环境亮度比, 选用一些反射性弱的材料。通过分析眩光值的适用场所, 得出适合室内体育场馆的眩光计算方法, 然后通过软件模拟室内场馆的灯光, 插入眩光观测点计算出场馆内最大眩光值。

1 眩光的基本知识 1.1 眩光的危害

眩光是由于视野中的光亮度分布不均产生的, 光源亮度与环境亮度存在十分极端的差异也会引起眩光, 其中眼睛直视裸露的高强度光源是引起眩光的主要原因^[1]。

眩光基本都是通过对眼睛的影响然后传导到神经, 眩光会严重地影响人眼的视觉功能, 长时间处于眩光的环境下, 容易产生眼疲劳。如果开车受到眩光的影响会导致驾驶员注意力涣散, 后果不堪想象。在眩光的环境下工作时间稍长一点就会使人感到不舒适, 轻者可能只是心情不舒畅, 重者会导致反应迟钝, 影响人们的工作效率^[2]。尤其在体育场馆中, 不能够只追求高亮度, 更要注重灯光亮度和环境亮度结合, 防止眩光对运动员和观众造成眩目等伤害。

1.2 眩光的防治

直接控制灯具的亮度和人眼视线中的光线亮度, 一般采用以下三种方式来实现:(1)在能够达到照明的要求下, 减小灯具的功率, 避免高亮度的照明; (2)灯具的安装位置一定要合理, 要能够保证灯具的保护角, 避免强光直接进入人眼; (3)通过改变灯具表面亮度和反射强度, 增加光源背景的亮度, 使得整体环境亮度差异减小^[3]。

高亮度光源被镜面材料或光泽面反射对人眼或者摄像镜头产生的干扰称之为反射眩光。镜面反射容易引起强烈的眩光, 如计算机屏幕反射房间灯光, 建筑外墙玻璃反射光, 人长时间处于这种眩光环境下会出现不适、烦躁等症状^[4]。

无论室内还是室外体育场都需要调整好光源、反射材料以及人的视角三者之间的关系, 同时选择材料时也要规避反射率较高的材质。防治反射眩光除了控制材料以及调整三者关系外, 还可以通过半直接照明, 半间接照明等, 增加顶部亮度, 使光在空间分布均匀^[5]。通过这些措施获得合理的环境亮度比, 使整体的环境亮度分布均匀, 有效地减少眩光。

1.3 灯具设计防眩光

眩光的产生很多是因为裸露的光源直接射入人眼, 裸露的光源经过封装就叫灯具, 主要是加入了灯罩, 很多时候灯罩起着很大的防眩光作用。台灯如果没有灯罩, 裸露的光源直接射入眼睛, 人就没办法正常地看书, 加上灯罩后, 限制了台灯向上的光, 使光能够照射于所需要的工作面上。

防眩光格栅灯就是通过灯具来防止眩光, 格栅能够很好地限制光线的角度, 使人的视线不会直接接触到裸露的光源, 一般格栅灯都是嵌入天花板, 格栅的上方是反光罩, 运用反射和折射的原理来提供较大面积的照明, 也就是让出射光更加均匀, 不会在某个区存在高强度的光线, 大大地减少了眩光。

1.4 合理的环境亮度比

人眼长时间在高亮度的环境下, 就算是高亮度的光源, 眩光影响也没有那么强烈了^[6]。正如晚上人眼不能够直视汽车的车灯, 但是在白天, 直视车灯就不会有任何不舒适的感觉。这说明设计的关键是空间的亮度分布要均匀, 即同一个空间内不能够存在较大的环境亮度比, 所以通过减小环境亮度比就可减少眩光的影响^[7]。

2 眩光控制标准及基本评价方法 2.1 眩光控制标准

不同的场所, 对眩光的控制标准也不一样, 所以各种体育场馆对一般眩光值的要求也不一样。本文针对室内篮球馆的具体情况, 合理地控制眩光值。表 1是国际照明委员会CIE推荐的各种环境下建议的最大眩光值, 照明设计的眩光值不能超过这个标准^[8]。

2.2 体育场所照明方式

体育场所的照明方式有以下几种:(1)灯具在场地的上方均匀布置, 这样布置的缺点是照度较低, 适用于一般的训练馆; (2)灯具分布在场地上方以及侧面, 从而使水平照度和垂直照度兼顾, 这种布置较常见; (3)灯具布置在场外上空, 适用于空间较高的场地, 此种照明方式眩光控制的效果最佳。

体育照明不仅仅只有上面几种照明方式, 体育运动的种类繁多, 每种场所都有特有的照明方式, 上述几种照明方式主要应用于室内外篮球场。

2.3 眩光的基本评价方法 2.3.1 眩光指数(GR)法

照明眩光指数计算式^[9]为

(1)

式中:L_vi是由灯具发出的光直接射向眼睛产生的亮度; L_ve是由照射场地引起直接射向眼睛产生的亮度。

去掉常数和无相关项, 上式即可简化为

(2)

用“灯产生的亮度”代替L_vi, L_ve是场地的亮度, 但是场地不会自己产生亮度, 而是通过灯具照射产生的亮度, 所以用“照射场地的亮度”代替L_ve。

可以得出

(3)

GR考虑的背景是被照场地, 也就是工作面作为背景, 墙壁广告牌等其他反射光都已忽略。

3 篮球馆仿真设计 3.1 模型的建立

先建立室内篮球馆的模型, 通过编辑空间, 采用拉点法, 拉出室内球场的平面图, 编辑所设计的含有三个球场的室内场地尺寸, 基本尺寸为长40 m, 宽65 m, 高12 m。

3.2 灯具的设计

采用DIALux软件设计配光。图 1为用于球场照明的380 W金卤灯的配光图, 灯具的灯罩为铝材, 不透光, 而且也限制出光的角度, 避免光线直射人眼, 配光曲线中心光强高, 两侧光强低, 边缘区域重合后光强变高, 最后得到的照度会比较均匀。

3.3 单个球场灯具布置

先把灯具按一个球场两排排列, 根据不断调节每排灯具数量来使照度接近标准值, 再通过定点插入灯具, 以提高照度不足区域。然后布置单个球场的灯具, 通过调节灯具高度以及角度达到照度要求, 考虑到球场的对称性, 运动员在投篮时均会抬头, 所以灯具不适合有倾斜的角度, 所有的朝向均是垂直向下, 如图 2所示。通过伪色显示和等值线观察, 球场中央照度达到均匀, 满足篮球馆照明300 lx的要求, 墙壁的照明达到150 lx, 这样环境的照度也会比较均匀, 有利于减少眩光。

3.4 GR观测点的布置

在照度达到要求后, 添加GR观测点, 对眩光值进行测量, 具体的GR布置位置如图 3所示, 图中6个点即为GR观测点, 设置高度与人眼一致, 为1.5 m。

布置了GR观测点后, 通过软件计算出各个点的GR值, 再通过GR值与CIE标准值的比较, 得出所设计的球场是否能满足CIE的要求。测得的GR值如表 2所示。

通过表 2可知, 设计的眩光值最大为11, 完全符合体育场馆的设计标准, 现在将三个球场均布置好灯具, 再计算GR与照度。

3.5 整个球场设计

将灯具逐一置于其他两个球场上方, 根据图 4, 插入18个GR计算点, 通过建立等值线(见图 5)可以发现三个球场区域均处于300 lx照度的环境下, 整个球馆的照度均在200 lx以上。观察图 6伪色图可以发现球场上没有存在照度差异较大的区域, 地板的照度均在200 lx以上, 墙壁的照度均在100 lx以上, 这样可以减小环境对比度, 使得眩光值达到最小。

从表 3的数据表可以看到场馆中GR的最大值为11, 满足照明设计中眩光控制要求。

图 5为等值线图, 图中细线代表 300 lx的照度范围, 球场基本上都在300 lx的照度等值线内, 边缘部分照度均在250 lx以上, 不存在差异较大的区域。

图 7是整个球馆的点照度图, 通过点照度图可以很好地观察到各个区域的点照度, 球场所有区域均符合要求, 均在300 lx左右, 没有出现差异较大的点。

图 8是天花板的等照度图, 照度基本都控制在100 lx以上, 这样可以减少背景亮度和环境亮度的差异。这是通过控制环境亮度比来减弱眩光的方法, 天花板是灯具的背景, 如果亮度太暗的话, 人在抬头时很容易受到眩光的影响, 只有天花板有一定的照度, 才会与光源的差异不会太大, 才能大大减弱眩光的影响。

4 结论

通过模拟设计直观地了解了影响眩光的因素, 通过设计规避这些可控因素, 得到符合现实生活的照明要求。在设计中灯具的功率、配光曲线、材料的反光率等都是要考虑的因素, 同时在满足照度要求的前提下尽可能地使照度均匀。本文以室内篮球场为例, 通过计算GR, 得出能够适合室内篮球场的算法。体育场馆的照明要求比较高, 所以我们选择金卤灯作为照明灯具, 金卤灯的显色性比高压钠灯好, 而且在节能方面也比高压钠灯好很多。整个设计的照度控制以及眩光控制均满足《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)中所规定的体育运动场地的标准值。