限制泛光照明中光污染研究

 现代化建筑的外表面材料越来越高档化，镜面光泽度也在不断大，这些饰面材料对光的反射与漫反射和规则（镜面）反射差别很大，因为这是属于规则反射和漫反射兼有的混合反射。混合反射的特点是在反射光方向上反射光亮度为*大，其他方向上反射光亮度不全为零，它的视看亮度大小与投光方向、观察方向、饰面材料本身的镜面光泽度等有关；目前，城市夜间景观照明建设正在蓬勃开展，建（构）筑物外立面的泛光照明也是随处可见，因此射向天空的光越来越多，这将会进一步加剧城市上空的光污染程度，使城市上空笼罩更为严重的一层光雾，这不仅影响天文观察，而且还会危害人们健康。 国际上早在20世纪70年代对光污染问题就己引起人们重视，并进行了大量调查研究，但是国际照明委员会（Cffi）和工业发达国家关于防止光污染的规定和标准中比作了限制；但是，对于经过地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反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就越来越大，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混合反射研宄对建筑物常用的饰面材料的混合反射规律的测试结果表明：当釉面砖的镜面光泽度很大时，例如用WYG― 45光电光泽计测得的压光的暗红色釉面砖（自编号：镜面光泽度Gn为101（测试的几何条件为45*标称值为93.5），它的反射光亮度在规则反射方向上很大，且在其附近一个小角度范围内反射光亮度也较大，但在其它反射光方向上亮度则很小；当釉面砖的镜面光泽度较大时，例如在上述测试条件下，土黄色釉面砖（自编号：1）、乳白色釉面砖（自编号、白色涂料板（自编号：3）的镜面光泽度分别为34、46、65，它们的反射光亮度在规则反射方向及其附近一个小角度范围内反射光亮度分布规律类似于3暗红色釉面砖，但在其他反射光方向的反射光亮度不是太小，这与3暗红色釉面砖是有较大差别。 据测试分析表明，在混合反射情况下，上述试件的规则反射方向上反射光亮度（Q）见表1其与镜面光泽度Gn近似成线性关系，并可用下式表示：出，除观察角9=一10*情况外，其他观察角时相关系数r均大于0.95，因此，这些饰面材料的镜面光泽度与规则反射方向上反射光*大亮度之间具有较大相关关系。 表1不同饰面材料的规则反射方向上反射光*大亮度自编号G一60注：当光入射角i和观察角9处于试件表面法线同侧时9角为正，否则为负。 表2（1）式的回归系数和相关系数3光污染形成光污染形成除了灯具直接把光射向天空外，还有投光灯由下往上照射建筑物立面时可产生较大光污染，而且随着饰面材料的镜面光泽度大，对光污染贡献将变大。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，此时由建筑物立面反射后射向天空的光通量可近似为Y/2，即漫反射表面把投光灯的出射光反射后射向天空的*大可能光通量约占总反射光通量一半。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。对于如表1中所示的建筑物常用的饰面材料，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将大于反射光通量一半，具体计算值由下列方程推导出来。 当釉面砖各方向的反射光亮度Lp测得后，可作一个半球面包围被研究的釉面砖。现将这半球面按每隔10*等分成18份，半球面内反射光通量可由下式表示，由于球半径垂直于球表面，则有a=*，即cosa=1每一份的球表面积：该球表面对球心张开的立体角：把（3）式和（4）式代入（2）式可得：设投光灯是由下往上照射的，如以釉面砖法线为准时，则处于投光灯另一侧为上射光通量区域即就是观察角9为负值的区域于是，可以利用（5）式和饰面材料表面反射光亮度测试值计算出上射光通量占总反射光通量之比：由（6）式可算出不同饰面材料不同光入射角时，*大可能经墙面反射后射向天空的光通量占总反射光通量的比例，具体值见表3.从表3中可以看出，对于同一品种的釉面砖来说，随着光入射角i大，建筑物立面*大可能反射后射向天空的光通量就越来越多；当入射光i趋于80*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；但是当入射角太小时，则易使投光灯照射到墙面后产生扇贝形光斑或使墙面过于平坦等。 表3不同饰面材料不同光入射角i时反射光射向天空的光通量占总反射光通量之比值K如设灯具的全部出射光通量为Y且全部射到墙面上，则反射光通量为Y，上照射的投光灯经墙表面的反射光通量占投光灯具全部出射光通量的百分比从（8）式可见，由下往上照射的投光灯经墙面反射后在天空中形成的光污染大小与其平均光反射比成正比例关系。 4光污染限制方法泛光照明中光污染限制方法之一是确定合适的泛光照明标准值，其次是选择合适的灯具和配光曲线，而合理的灯具布置也是一个很重要的限制光污染的措施。如果将投光灯具布置在建筑物立面上方，光由上往下照射建筑物立面，则由此产生的光污染程度*小；但在白昼时，悬挂在建筑物立面上方的灯具会影响其视觉形象，而在晚上时，如采用饰面砖的镜面光泽度较大，则在有些观看方向会产生令人不愉快的光斑，而在其他观看方向会产生被照表面不太亮的感觉。由此看来，为了限制城市上空的光污染，就必须在夜景照明中，选择适宜的夜景照明方式，这也是一个重要的限制光污染的措施，如内透光照明方式，如果处理恰当，则可使光污染程度*小。 从整体上看，为了减少城市夜景照明对光污染的贡献程度，还必须首先进行城市夜景照明规划，遵循突出重点、兼顾一般的原则，强调城市夜景视觉形象的总体效果，做到明暗恰当，亮得合适，层次分明，统一协调，和谐美观，节约资源，降低城市上空的光污染程度。 同时还应在遵循城市总体规划的基础上，并分平时、节假日、不同天气、不同城市功能区、不同地表情况等，研究当地环境亮度和天空亮度，利用模糊聚类分析法等，合理地对城市光污染进行环境分类。在不同环境类别时，确定泛光照明、轮廓照明、内透光照明、特种照明、道路照明、广告和标志照明等室外照明的光经地物表面反射后射向天空的光量，并采用BP神经网络等确定灯具直接射向天空，以及经地物表面反射后射向天空的光与天空亮度之间的数量关系，研究出合理的限制光污染标准值，并利用该标准值进行有效的光污染的限制。 5小结为了限制城市上空的光污染，我国必须尽快制定限制光污染标准值，这将会有力地且更合理地进行泛光照明设计，采用限制光污染的各种措施，尤其是采用适宜的照明方式、布灯方法，以及合适的灯具和配光，加强管理和维护，努力降低城市上空的光污染程度。 对于镜面光泽度较大的建筑物立面照明，当需要采用泛光照明时，首先要使泛光照明设计遵循泛光照明标准（我国应尽快制定泛光照明标准）规定，其次是宜把投光灯布置在建筑物上部，灯光由上往下照射，从防止城市上空光污染角度看，减少建筑物外表面的平均光反射比将有利于限制城市上空的光污染。