基于天空亮度变化的建筑泛光照明亮度测试与分析研究

袁景玉，刘 宁，王 策，唐小波，郭英鹏，任 全

（河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津300401）

基于天空亮度变化的建筑泛光照明亮度测试与分析研究

袁景玉，刘 宁，王 策，唐小波，郭英鹏，任 全

（河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津300401）

在建筑立面泛光照明快速发展的过程中，存在过度亮化，光污染严重，能耗大等问题，对此，文章在总结国内外关于建筑立面泛光照明相关规定、案例的基础上，对入夜阶段天空亮度和建筑立面泛光照明亮度进行试验测试，总结分析实验数据，得到了建筑泛光照明亮度随天空亮度变化曲线，为实现建筑立面亮度逐级变化提供指导建议。

天空亮度；建筑亮度；泛光照明；光污染

0 引 言

随着城市建设的快速发展，城市夜景照明逐渐成为亮化、美化城市的标签，但是盲目亮化导致能耗增大，光污染严重。对此，许多专家学者、研究机构进行了大量研究，如CIE推荐了亮度水平：照明相对暗淡的区域（照明模糊或者较暗淡区域）应为4 cd/m2，通常区域（大城市的市郊区域、城镇区域）应为6 cd/m2，比较亮的照明区域（在市中心的商业区、娱乐区）应为12 cd/m2。北美照明工程协会建议被照场地和场地周围间的亮度比不应大于20∶1，美国建筑能量标准中对室外建筑照明功率进行限制，规定建筑立面受照面积的限制值为2.69 W/m2。李奇峰对上海市的建筑立面泛光照明和周围天空亮度进行了测量，得到的结果远远高于规定值。黄成对天津26处建筑泛光照明亮度进行测量，只有3.8%的建筑立面泛光照明亮度低于3 cd/m2。通过这些研究，越来越多的学者开始关注建筑立面泛光照明亮度过高的问题。但大部分研究是针对固定天空亮度下的建筑夜景照明，而实际天空亮度随时间、地点、季节、天气情况等变化，尤其在太阳落山到天空全黑的这段时间里，天空亮度的变化范围很大，而固定的建筑立面泛光照明亮度与天空亮度的对比值并不能始终保持在适宜的范围，也就是说随天空亮度的降低建筑立面的视觉亮度会越来越大。因此，研究天空背景亮度的变化规律和在变化的天空亮度背景下建筑立面泛光照明亮度的变化情况，从而指导建筑立面泛光照明亮度随天空亮度的降低而变化，进而改善建筑立面泛光照明亮度在夜晚过亮的问题。这对改善夜景照明视觉效果、减少光污染、降低能耗和推动绿色照明具有十分重要的意义。

文章通过对入夜阶段天空亮度和建筑立面泛光照明亮度的测量，研究在随时间变化的天空背景亮度下，建筑立面泛光照明亮度的变化情况，从而为建筑立面泛光照明的逐级变化提供指导意见。

1 测量内容

1.1 测量区域的选取

为研究在入夜阶段变化的天空亮度背景下建筑立面泛光照明亮度的变化情况，所选区域的天空背景应尽量没有干扰光线，即要选择天空光亮度低的区域。河北工业大学北辰校区位于城市郊区，学校东侧是城区，西侧是高速路范围，天空亮度受外来干扰影响较小，同时也能比较城区和郊区的天空亮度变化情况。

1.2 测量方案

2015年6月，选取河北工业大学百年纪念园塔楼进行测量，同时测量其周围天空亮度。塔楼地势高，周围无遮挡，建筑照明方式采用典型的LED泛光照明，如图1所示。

测量仪器选用TOPCON BM－7A彩色亮度计，采用2°视野进行测量。

图1 河北工业大学百年纪念园塔楼

2 测量方法

2.1 天空亮度测量

以塔楼为中心，分别对塔楼的东南侧和西北侧这两个方位进行测量，每个方位选取水平方向（0°）、与水平30°倾角、与水平60°倾角和垂直方向4个瞄准方向，测量高度为1.5 m。

为研究天空亮度变化对建筑立面泛光照明亮度的影响，要求测量时天气晴朗且从太阳落山时分开始，太阳落山时间以中国气象台给出的时间为准。

2.2 建筑物立面泛光照明亮度测量

塔楼分为三层，底层立面照明受内部照明影响较大，故选择二、三层立面泛光照明，塔楼对称设计，选取6组测量点（图2），然后取平均值。

3 测量结果分析

3.1 测量结果统计

将测量数值进行统计，结果如表1、表2所示。

图2 塔楼测量点

表1 6月2日塔楼北侧的天空亮度和建筑亮度

表2 6月8日塔楼南侧的天空亮度和建筑亮度

表1中的数据是6月2日在塔楼南侧测得的靠近城市东南方向天空亮度，测量时太阳落山时间为19：32，测量持续一个小时。表2数据则是6月8日在塔楼北侧测量的西北方向郊区天空亮度，测量时太阳落山时间为19：35，20：27测量结束。

为了更好地说明天空亮度变化和建筑立面泛光照明亮度变化的关系，表1中建筑立面泛光照明在原有的控制开关控制下开启，即19：55照明灯光开启，而表2中的建筑立面泛光照明在开始测量时就已经开启。

根据表1、表2中的数据得到了如图3、图4所示的关系图。

图3 6月2日天空亮度和建筑立面泛光照明亮度关系

图4 6月8日天空亮度和建筑立面泛光照明亮度关系

3.2 测量结果分析

由表1，图3可知在19：32～19：50这段时间，塔楼的照明亮度变化幅度比较大，随着天空亮度的急剧降低而下降，19：55钟楼照明灯光开启，立面亮度突然上升，之后随着天空亮度的缓慢降低而平缓变化。

图4所示是在测试开始照明就已开启，在测试的整个阶段其亮度变化相对图3中的变化较平缓，但仍可以看出在19：35～19：57这一段时间中，塔楼的亮度也在缓慢降低，随天空亮度影响而变化，20：00后建筑立面亮度基本保持不变。

从测量结果可以看出，从太阳落山开始的一小时内，天空亮度变化很大，前后相差一万倍，且变化速度很快。为了得到良好的夜景效果，通常夜景照明灯光开启时天空背景亮度还很高，由上述分析，可知当天空亮度比较高时，建筑照明对其立面亮度几乎没有影响，此时建筑立面的亮度主要来自于天空光。当天空光亮度与建筑立面照明亮度相同时，建筑立面的亮度才主要受照明灯光的影响，因此，在天空背景亮度很高时将灯光照明开启是不合理的。为了在较亮的背景环境中达到良好的照明效果，照明灯光亮度设置较高且该亮度不变，但是，随着背景环境变暗，对比度增加，在人们观看时会觉得灯光亮度过亮，即视觉亮度增大，这样破坏了原有的照明效果，并造成了大量的浪费。因此，在天空亮度变化的同时，如果建筑照明亮度也随之下降就能使两者的对比度基本不变，这样在保证照明效果的同时也能节能降耗。随着照明技术的发展，LED智能调光系统已能完美实现无极调光，因此只要找到两者的变化关系就能使建筑立面亮度与背景亮度对比保持不变，在降低了照明亮度的同时，也节约了能源，减少了光污染。

4 小 结

文章通过测量入夜阶段的天空亮度和建筑立面泛光照明亮度，得到天空亮度和建筑立面泛光照明亮度变化关系曲线。由此可知从日落开始到天空全黑这一阶段，建筑立面的亮度主要取决于天空亮度，在天空亮度逐渐变暗的过程中，建筑立面泛光照明亮度也随之不断下降。这为建筑立面泛光照明开启时间提供了参考，同时利用这一变化规律可实现建筑立面泛光照明的实时性，指导适当的亮度变化范围。在以LED光源为主的立面照明中，可通过LED智能调光系统实现建筑立面泛光照明亮度逐级变化，对改善视觉效果、减少光污染、降低能耗具有重要意义。

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［6］刘鸣.城市照明中主要光污染的测量、实验与评价研究［D］.天津大学，2007

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［10］路秋生.LED照明与相控调光控制［C］//中国照明学会.2013年中国照明论坛—LED照明产品设计、应用与创新论坛论文集，2013

Test and Analysis of the Construction Flood Lighting Lum inance Based on the Change of Sky Brightness

YUAN Jingyu，LIU Ning，WANG Ce，TANG Xiaobo，GUO Yingpeng，REN Quan
（College of Architecture and Art Design，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，P.R.China）

in view of the building facade flood lighting in the process of rapid development，thereare toomuch problems such as lighting，light pollution is serious，on the basis of stahe of night sky brightness and facade illumination brightness test，summarizes the analysis of experimental data，the building flood lighting brightness change with the sky brightness curve，in order to realize building facade brightness change step by step guidance advice.

sky brightness；building brightness；flood lighting；light pollution

2015-11-10

袁景玉（1966－），男，教授，博士，主要从事建筑照明、采光及建筑物理环境研究与技术开发。