城市居住區(qū)夜間光侵擾問題調查研究

于娟，王立雄，張明宇，宋捷翹，楊笛

(天津大學 建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術重點實驗室，天津 300072)

摘要：夜景照明建設的高速發(fā)展和LED的廣泛應用，致使居住區(qū)夜間光侵擾問題日益嚴重，但缺乏有效的光侵擾防治措施。采用主觀調查問卷與客觀測試數(shù)據(jù)結合的方式，調查了居民對光侵擾的主觀評價，測量了光侵擾的相關光參數(shù)，將城市居住區(qū)光侵擾來源劃分為4類，分析發(fā)現(xiàn)侵擾源亮度、光色、動態(tài)形式、發(fā)光時間段和發(fā)光面積為主要侵擾因素，將光侵擾劃分為亮度侵擾、色光侵擾和動態(tài)侵擾3種類別，并明確了各類別主要侵擾因素的參數(shù)范圍。

關鍵詞：居住區(qū)；光侵擾；色光侵擾；動態(tài)侵擾；侵擾因素

Received:2015-05-13

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51208351)

Author brief：Yu Juan (1987-), PhD candidate, mail research interest:building light environment, (E-mail) 601463949@qq.com.

光侵擾(light trespass)是眾所周知對居民影響較大，且研究難度最大的一類光污染[1-5]，北美照明工程協(xié)會(IESNA)將其定義區(qū)分為兩種類型：來自相臨地域的非必要照明；在視野內(nèi)有過高照度的燈光(侵擾眩光)。居住區(qū)中的光侵擾則來自于室外透入室內(nèi)的非必要光線，使居住者產(chǎn)生不適、心煩或是降低能見度等現(xiàn)象[6]。近年來，城市夜間光環(huán)境因夜景照明建設的高速發(fā)展而日趨明亮，LED的廣泛應用更產(chǎn)生了彩色、動態(tài)光。因此，城市居住區(qū)夜間發(fā)生的光侵擾問題不僅愈加普遍和嚴重，更疊加了“色光”和“動態(tài)光”因素。

國際照明委員會(CIE)針對光污染出版的相關技術文件[7-8]中，對防治光侵擾提出了相關建議：劃分了4個光環(huán)境分區(qū)和2個時段(宵禁前后)，限制了室外光源朝向居室方向的光強和因其產(chǎn)生的窗口外表面垂直照度。這是現(xiàn)今防治光侵擾的國際標準，中國的現(xiàn)行規(guī)范[9]即是按照“等同采用”原則使用了上述CIE建議。其規(guī)范要求主要針對由光源亮度引起的窗口垂直面照度、可見光強兩方面，未見針對包含“色光”和“動態(tài)光”光侵擾的防治要求。同時，針對照明中的“色光”與“動態(tài)光”的研究，主要集中在以優(yōu)化照明設計、美化城市夜景為研究目的的情感偏好層面[10-14]，未見涉及居民感受的光侵擾防治方面的研究。

城市居住區(qū)光侵擾的現(xiàn)狀對現(xiàn)行的光侵擾防治要求的有效性提出了挑戰(zhàn)，對于中國城市夜間光侵擾的程度判斷和評價問題應運而生。針對中國城市居住區(qū)光侵擾的現(xiàn)狀及其對居民產(chǎn)生的影響等問題，筆者在多個城市開展了實地調研，調查了居民對光侵擾的主觀感受，測量了光侵擾的相關參數(shù)，依此分析了光侵擾的來源、類型及其侵擾因素，明確了各侵擾因素的光參數(shù)范圍。

1城市居住區(qū)光侵擾問題調查

調查包括主觀調查和客觀測量，主觀調查針對居民對光侵擾問題的評價，客觀測量在主觀調查基礎上對光侵擾的光參數(shù)進行測量。

主觀調查在全國范圍內(nèi)展開，不設城市規(guī)模限制。調查預篩選出存在光侵擾問題的居住建筑，采用入戶調研的方式，對住戶進行問卷調查。問卷(見表1~6和表8)設計基于前期研究[5,15]，以進一步了解夜間光侵擾對居民的侵擾影響程度、侵擾影響的室內(nèi)活動類型、侵擾因素、侵擾來源、侵擾時間段及居民遮光習慣，共完成20個省市的33個城市或地區(qū)(圖1)的問卷調查，獲得1 017份有效調查問卷。

圖1　開展主觀調查的33個城市或地區(qū)分布Fig.1　The 33 cities or regions

客觀測量選取了5個城市：北京、天津、上海、武漢和鄭州，其中北京、天津和上海3個城市均出臺了關于城市照明的地方標準[17-19]，對光侵擾提出了較為細致嚴格的防治要求；武漢和鄭州則為在主觀調查城市中隨機選取的省會城市。客觀測量的目的是獲取存在光侵擾問題的居住建筑窗洞口位置的光參數(shù)，包括窗口的垂直照度、窗口可見光源的亮度和發(fā)光面積、有色光的主波長、動態(tài)光的頻率，共計測量63個居住區(qū)的110組數(shù)據(jù)，并在天津市針對引起彩色、動態(tài)侵擾的主要侵擾源“LED動態(tài)顯示屏”進行了詳細測試，獲得了154組數(shù)據(jù)。

2調查結果及分析

2.1　光侵擾問題嚴重，現(xiàn)行規(guī)范未有效防治

針對“影響程度”的調查結果如表1所示，31.6%的居民“感覺受到些影響”，12%的居民認為“影響很大”。數(shù)據(jù)表明，光侵擾問題確實干擾著城市居民。

表1　“影響程度”調查問卷及統(tǒng)計結果

統(tǒng)計并排列所調研33個城市的居民選擇“C感覺受到些影響”和“D影響很大”選項所占比例之和(見圖2)，結果顯示，光侵擾對居民的影響程度與城市的大小或發(fā)展程度并不相關，各城市均存在光侵擾問題，光侵擾問題普遍存在于中國城市居住區(qū)。

圖2　所調研城市的居民選擇C、D兩選項所占比例之和(按數(shù)值從小到大排列)Fig.2　The sum of the proportion of C and D options chosen by residents of the cities surveyed

光侵擾影響的室內(nèi)活動類型調查結果中(見表2)，69.5%的居民認為“睡眠休息”最受影響，31.1%的居民認為最影響“學習工作”，27.2%的居民認為最影響“休閑娛樂”。數(shù)據(jù)說明，光侵擾問題不僅影響著居民“睡眠休息”，還影響著“學習工作”和“休閑娛樂”等室內(nèi)日?；顒?。光侵擾對居民多項室內(nèi)活動均產(chǎn)生干擾影響，再次說明了光侵擾的影響程度之深，問題之嚴重。

表2　“影響的室內(nèi)活動類型”調查問卷及統(tǒng)計結果

表3為對“侵擾時間段”的調查結果，29.1%的居民選擇“21:00—23:00”，28.6%居民選擇“天黑之后一直存在”，選擇“21:00之前”和“23:00之后”分別占19.6%和19.2%。各選項所占比例接近，這表明光侵擾對居民產(chǎn)生的干擾影響是持續(xù)存在的。

表3　“侵擾時間段”調查問卷及統(tǒng)計結果

調查還統(tǒng)計了居民的“遮光習慣”，如表4所示。大部分居民習慣使用窗簾遮光，認為窗簾能有效避免窗外光影響，但存在20.6%的居民不習慣使用窗簾遮光(大多是因窗簾阻礙室內(nèi)通風)，30.7%的居民認為窗簾不能避免窗外光影響。

表4　“遮光習慣”調查問卷及統(tǒng)計結果

圖3為客觀測量所得的窗口外表面垂直照度數(shù)據(jù)(測量時間在23:00之前)，最大值為39.9 lx，平均值為6.5 lx，僅4例超出現(xiàn)行規(guī)范要求值25 lx[9]，即調研案例的窗口外表面垂直照度大部分滿足目前規(guī)范要求。

圖3　窗口外表面垂直照度數(shù)據(jù)(110組)Fig.3　The value of the vertical illuminance of the outer surface of the window (110

對應于這5個城市的主觀調查結果中(圖2)，居民選擇C、D兩選項所占比例之和最小值為天津的39.3%。這表明，現(xiàn)行規(guī)范控制下的光侵擾仍對居民產(chǎn)生著干擾影響，現(xiàn)行規(guī)范未能有效防治光侵擾。究其原因，一方面，CIE標準采納的是德國、澳大利亞等國家的建議數(shù)值，是以他們的試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，并非依據(jù)中國城市居民的感受；另一方面，調查發(fā)現(xiàn)，因LED新光源的使用，光侵擾的干擾因素增加了“色光”和“動態(tài)”因素，新因素的疊加降低了居民對光侵擾的包容度。因此，現(xiàn)行規(guī)范已不適用于城市居住區(qū)的光侵擾現(xiàn)狀，亟需開展基于居民主觀評價的光侵擾影響研究，以制定完備有效的光侵擾防治措施。

2.2　點、靜/動態(tài)面、大體量光源為主要光侵擾源

針對“侵擾來源”的調查，所列選項“路燈”、“動態(tài)顯示屏”、“相鄰或自身樓宇裝飾照明”所占比例均在35%以上，“公交站和商業(yè)類牌匾”也占28.4%，各選項所占比例接近，反映出城市居住區(qū)的侵擾光源多樣共存的特點，見表5。

表5　“侵擾來源”調查問卷及統(tǒng)計結果

調查發(fā)現(xiàn)，相同屬性光源產(chǎn)生的光侵擾的侵擾因素相同，可依據(jù)光源的發(fā)光面積或體積、有無顏色、動/靜態(tài)等屬性將侵擾源分類[15]?？陀^測量中記錄了14種侵擾光源，如表6所示，分別屬于點光源類、靜態(tài)面光源類、動態(tài)面光源類和大體量光源類。

表6　侵擾光源分類

2.2.1點光源類指靜態(tài)的功能性照明，發(fā)光面積較小，但亮度普遍較高，測量所得數(shù)據(jù)中大于1 000 cd/m2的占58.1%，最大值81 010 cd/m2，來源于路燈，無或少見彩色光。來自點光源類光侵擾的侵擾因素主要為其亮度。

2.2.2 面光源類多為裝飾性廣告照明，分為靜態(tài)與動態(tài)兩類。靜態(tài)面光源的亮度相對較低，測量數(shù)據(jù)中僅一例公交站牌因燈具裸露達到31 138 cd/m2(公交站牌的其余數(shù)據(jù)中的最大值為69.3 cd/m2)，因其裝飾性而常見彩色，故來源于靜態(tài)面光源光侵擾的主要侵擾因素應包括亮度和光色。動態(tài)面光源類多由LED光源組成，色彩和動態(tài)形式多樣，故而動態(tài)面光源產(chǎn)生的光侵擾的侵擾因素相較復雜，包括亮度、色光和動態(tài)形式。測量數(shù)據(jù)中“LED動態(tài)顯示屏”可達的最高亮度為4 252 cd/m2，遠遠高于其他兩類動態(tài)面光源。因此，“LED動態(tài)顯示屏”是產(chǎn)生包含色光和動態(tài)因素光侵擾的主要來源。

2.2.3 大體量光源類大體量光源特指建筑(構筑物)裝飾照明，由多組照明設施組成，照明突顯出建筑(構筑物)的整體體量，故將其視為大體量光源，即將建筑(構筑物)整體體量的面積視為侵擾源的發(fā)光面積，故而發(fā)光面積也是此類光源產(chǎn)生光侵擾的主要侵擾因素。此類光源動/靜態(tài)均常見，故侵擾因素也包括亮度、色光和動態(tài)形式。

另外，侵擾源的實際發(fā)光面積并不代表居民對侵擾源發(fā)光面積大小的實際感受，取居民視野(以現(xiàn)場特定視角拍攝的圖像替代)中的侵擾源發(fā)光面積與窗口面積的比值(Sl/w)來表征窗口可見的光侵擾源的發(fā)光面積的比例大小。調研所得各城市Sl/w數(shù)據(jù)見表7，天津、鄭州存在滿窗光侵擾，即Sl/w為1，均來源于臨近窗口的建筑裝飾照明；測得的可引起居民受干擾感受的最小Sl/w為1/328，來源于上海某遠離窗口的高層建筑頂部的LED動態(tài)顯示屏。

表7　侵擾源發(fā)光面積與窗口面積比Sl/w

2.3　“光色”與“動態(tài)形式”成為新的光侵擾因素

如表8所示，在對“侵擾因素”的調查數(shù)據(jù)中，44.3%的居民最介意“太亮了”、40%的居民介意“有閃動”、37.6%的居民最介意“休息之后還亮著”，介意“光色變化”和“討厭光的顏色”的居民所占比例為39.6%。數(shù)據(jù)表明，居民最介意的光侵擾的侵擾因素不僅包括亮度及侵擾源發(fā)光時間段，還包括“光色”和“動態(tài)形式”這兩類新的光侵擾因素。

表8　“侵擾因素”調查問卷及統(tǒng)計結果

測試中測量了表征光色的色光主波長及對應的亮度值，記錄了典型動態(tài)形式的變化頻率。

2.3.1色光主波長及對應亮度測量不包括路燈等功能照明常使用的暖黃光和白光，僅測量具有顯著色彩的侵擾光源，大致分為兩類：1)LED類，由RGB(紅綠藍)單色及其混合組成的彩光；2)帶彩色外罩(如商業(yè)廣告燈箱等)的光源產(chǎn)生的彩光。測量位置為窗口外表面(垂直面)。

如圖4所示，包含色光侵擾因素的光侵擾亮度范圍可達4 252 cd/m2，出現(xiàn)在綠光光譜范圍內(nèi)。綠光、黃光、紅光光譜范圍內(nèi)亮度值較高，橙光、藍靛光、紫光光譜范圍內(nèi)亮度值相對較小。統(tǒng)計顯示所測得的各光譜范圍內(nèi)最高亮度均來自于LED動態(tài)顯示屏。

圖4　色光主波長及對應亮度Fig.4　Dominant wavelength of the intrusive light source and its

2.3.2典型動態(tài)形式的變化頻率參考已有的動態(tài)照明研究[11]，通過定義動態(tài)種類和標定動態(tài)變化頻率可分類、簡化并量化動態(tài)光?？陀^測試中共記錄了五類典型的動態(tài)形式，包括顏色改變、閃爍、滑動(sliding)、延長(extending)和跳躍(skip)。通過目測特定時間段內(nèi)可識別的變化次數(shù)得到侵擾源的動態(tài)頻率，如表9所示。

表9　五類典型的動態(tài)侵擾形式

3城市居住區(qū)光侵擾特點

中國城市居住區(qū)光侵擾的特點，如圖5所示。

圖5　中國城市居住區(qū)光侵擾特點(侵擾形式、因素和來源的關系圖)Fig.5　The characteristics of light trespass for urban residential area in

按侵擾來源可分為點光源侵擾、靜態(tài)面光源侵擾、動態(tài)面光源侵擾、大體量光源侵擾四類，不同的侵擾來源形成的侵擾因素不同。

1)點光源的侵擾因素包括亮度、發(fā)光時間段、發(fā)光面積三類。

2)靜態(tài)面光源的侵擾因素包括亮度、光色、發(fā)光時間段、發(fā)光面積四類。

3)動態(tài)面光源和大體量光源的侵擾因素包括亮度、光色、動態(tài)形式、發(fā)光時間段、發(fā)光面積5類。

城市居住區(qū)光侵擾的侵擾因素包括侵擾源的亮度、光色、動態(tài)形式、發(fā)光時間段和發(fā)光面積5項。

發(fā)光時間段和發(fā)光面積是侵擾光源的固有屬性，故為光侵擾的固有因素。除此之外，將僅含有亮度因素的光侵擾形式定義為“亮度侵擾”，在亮度侵擾基礎上疊加了光色因素的光侵擾形式定義為“色光侵擾”，包含動態(tài)形式的亮度侵擾或色光侵擾被定義為“動態(tài)侵擾”。亮度侵擾、色光侵擾、動態(tài)侵擾為城市居住區(qū)光侵擾的三大侵擾形式。

去除極端(最大)測量值，表征三大侵擾形式主要侵擾因素的參數(shù)數(shù)值范圍見表10。

表10　三大侵擾形式主要侵擾因素的參數(shù)范圍

4結論

中國城市居住區(qū)的光侵擾來源于點、靜/動態(tài)面和大體量四類侵擾源，包括亮度、光色、動態(tài)形式、發(fā)光時間段和發(fā)光面積五類侵擾因素，可分為亮度侵擾、色光侵擾和動態(tài)侵擾三大侵擾形式。理清侵擾形式、因素和來源之間的對應關系，即掌握了城市居住區(qū)光侵擾的特點，是明晰光侵擾的影響機理及研究不同類型侵擾與居民主觀反映之間關系的重要基礎。筆者對中國城市居住區(qū)的光侵擾進行主觀調查和實地測量，為進一步研究獲取光侵擾的光度限制指標提供了基礎數(shù)據(jù)，為完善中國光侵擾的相關研究提供了基礎。

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(編輯胡英奎)

Zhang Mingyu (corresponding author), PhD, associate professor, (E-mail) zmy0526@163.com.

Survey of light trespass for urban residential area

Yu Juan, Wang Lixiong, Zhang Mingyu, Song Jieqiao, Yang Di

(Tianjin Key Laboratory of Architectural Physics and Environmental Technology,

Tianjin University, Tianjin 30072, P. R. China)

Abstract:The rapid development of city lighting and the population of LED have brought us excessive artificial outdoor light. Now there is no effective limitation for it. Based on subjective survey and objective measurement, we got the residents’subjective evaluation and the optical parameter of the light trespass, and identified 4 trespass sources, 5 classic factors(brightness, color, dynamic mode, light-emitting time and area) and 3 major trespass types (brightness trespass, colored trespass, dynamic trespass)of light trespass. And the parameter range was given to the main trespass factors of the 3 types light trespass.

Key words:residential area; light trespass; colored trespass; dynamic trespass; trespass factors

通信作者張明宇()，博士，副教授，(E-mail)zmy0526@163.com。

作者簡介：于娟(1987-)，女，博士生，主要從事建筑光環(huán)境研究，(E-mail)601463949@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金(51208351)

收稿日期：2015-05-13

中圖分類號：TU113.6

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2015)06-0114-06

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.015