第六章 建筑光环境 本章的学习要点 1．了解光的基本度量单位及相互关系 2．掌握天然光环境的基本设计要点 §6-1光的性质与度量 一、基本光度单位及相互关系 1.光通量： 辐射通量(辐射功率)：单位时间内辐射体辐射的能量称辐射通量。 光通量：相应的辐射通量中被人眼感觉为光的那部分能量。单位为流明（lm） 描述光源发光能力的基本量 2.发光强度 定义：光通量的空间密度，称发光强度。 发光强度物理意义及表示方法：发光强度表征光源发出的光通量在空间的分布状况。发光强度用I表示 ,单位为坎德拉（cd）。 描述光通量在空间分布状况的参数 举例：带灯罩和不带灯罩。 3.照度 定义：对于被照面而言，用落在其单位面积上的光通量多少的数值来表示它被照射的程度，称照度。 照度的物理意义及表示方法：照度表征被照面上的光通量密度。照度用E表示。 照度可直接相加，几个光源同时照射被照面时，其上的照度为单个光源分别存在时的照度的代数和。 4.亮度 定义：发光体在视线方向单位面积上的发光强度。 唯一能直接引起眼睛视感觉的量 举例：黑白两种照度完全相同的物体，人们会感到白色的物体亮的多。 （1）物理量度：物体在视线方向单位面积上发出的发光强度。物理量度可表示为： Lθ =dIθ /dScosθ 式中： θ—发光面法线与视线方向夹角； dIθ——面积微元dS在视线方向的夹角。 （2）主观亮度： 定义：人们主观感受到的物体明亮程度。 主观亮度：与物体的物理亮度有关；与我们所处的环境的明暗程度有关。 举例：同一盏灯在夜晚或白昼时，眼所感到的明暗不同。 二、光的反射与透射 光在传播过程中,遇到介质时,会发生反射、透射与吸收现象。 1.定向反射和透射材料 定向反射：光线照射到表面很光滑的不透明材料上，会出现定向反射现象。定向反射特点：1)光线入射角等于反射角；2)入射光线、反射光线及反射表面的法线处于同一平面。具有这种特征的材料称为定向反射材料。 定向透射：光线射到透明材料上，会产生定向透射。如果材料的两个表面彼此平行，则透过材料的光线方向与入射方向保持一致。使人眼透过这类材料仍能毫无变形地看到另一侧的景物，只是位置有所平移，这种材料称为定向透射材料。 2.均匀扩散反射、透射材料 定义：将入射光线均匀地向四面八方反射或透射，并且，从各个角度看，其亮度完全相同，看不见光源形象，这类材料被称为均匀扩散材料。 均匀扩散材料包括： 1)均匀扩散反射材料：如：氧化镁、石膏、及大部分无光泽、粗糙的建筑材料。 2)均匀扩散透射材料：如：乳白玻璃、半透明塑料等。常将它们用于：灯罩、发光天棚处，以降低光源亮度，减少刺眼程度。 3.定向扩散反射、透射材料 同时具有定向和扩散两种性质，这种材料在定向反射(或透射)方向，具有最大的亮度，而在其他方向也有一定亮度。 三、污染对材料化学特性的影响 窗玻璃积累污染物则透光系数降低 室内装饰物表面腿色则反光系数降低 §6-2视觉与光环境 一、眼睛与视觉特征 1.亮度阈限 在视觉研究中，将背景亮度Lb=0时，眼睛所能识别的临界亮度称作视觉的绝对光阈，其值遵守里科定律和邦森-罗斯科定律。 里科定律：亮度×面积=常数 邦森-罗斯科定律：亮度×时间=常数 即目标越小，或呈现时间越短，引起视知觉所需要的亮度越高。 结论：1）在暗视觉状态下，人眼无法辨别物件的细节，对外部亮度变化的适应能力低。 2）超过亮度阈限时，视网膜会因辐射过强而受伤 2.视野和视场 视野：观察者正视前方时，头和眼睛都保持不动时，这样所察觉到的空间范围称视野。 视野分类：单眼视野、双眼视野、中心视野及近背景视野。 视场：观察者头部不动但眼睛可以转动，这样所看到的空间范围称视场。 3.临界亮度对比度与对比敏感度 任何物体都有其背景，物体和背景之间存在着亮度和颜色上的差异。物体与其背景之间的亮度差与背景亮度之比称为亮度对比度，亮度对比度越大，看得越清楚。 4.视觉敏锐度 视角：物体的大小对眼睛形成的张角，称为视角。 视觉敏锐度：人凭借视觉器官感知物体的细节和形状的敏锐程度。 5.视觉速度： 从发现物体到辨别物体细节需要一定的时间，称识别时间，识别时间的倒数，称视觉速度。 6.眩光 在视野内出现亮度较高的物体或过大的亮度对比时，可引起人眼不舒适或视度下降。例如：当黑板某处出现过亮区域时，人眼会感觉刺眼，看不清楚。 二、颜色对视觉的影响 颜色不仅是一个物理量，还是一个心理量。直接看到的光源的颜色称为表观色，光投射到物体上，物体对光源的光谱辐射有选择地反射或透射对人眼所产生的颜色感觉称物体色，物体色由物体表面的光谱反射率或透射率和光源的光谱组成共同决定。 例如：法国的白、红、蓝三色国旗做成30：33：37时，才会产生三色等宽的感觉。 三、视觉功效与舒适光环境要素 l.视觉功效 定义：人借助于视觉器官完成视觉作业的效能,称视觉功效。 它主要取决于作业的大小、形状、位置和所处的光环境，主要与视角、照度、亮度对比系数和识别时间有关。 2.舒适光环境要素与评价标准 适当的照度或亮度水平 物体的亮度取决于照度，照度过大，会使物体过亮，易引起视觉疲劳和灵敏度降低。 （2）合理的照度分布 规定照度的平面称参考面，即工作面，通常为0.7～0.8m高的水平面。在荧光灯、或白炽灯的照明下，桌面照度为750～1700lx时，满意程度最高。 （3）舒适的亮度分布 可以减少亮度对比使环境柔和、统一。 （4）宜人的光色 （5）避免眩光干扰 眩光是当视野内出现高亮度或过大的亮度对比时，引起视觉上的不舒适或视觉疲劳，这种高亮度或亮度对比称眩光。 （6）光的方向性 方向性太强，会出现生硬的阴影，过分漫射，会使被照物体无立体感。 §6-3天然采光 一、自然光源与人工光源 1. 天然光与人工光的视觉效果 在相同的照度条件下，人眼在天然光下比在人工光下有更高的灵敏度。天然光的视觉效果优于人工光，人眼对天然光较习惯。 2. 天然光和人工光的光谱能量分布特征 天然光是太阳辐射的一部分，它具有光谱连续且只有一个峰值的特点。光谱能量分布较窄的某种纯色光源照明质量较差，光谱能量分布较宽的光源照明质量较好。 结论：在进行人工光源设计时应该人工光尽量接近天然光。 二、自然采光原理与设计 1.我国的光气候特点与光气候分区 光气候指影响室外天然光变化的各种自然因素的总称。 晴天时，天然光由直射光和扩散光组成，全云天只有天空扩散光。 在采光设计标准中，将全国划分为五个光气候区，分别取相应的采光设计标准。 2. 不同采光口形式的特征及其对室内光环境的影响 侧窗：它是在房间的一侧或两侧墙上开的采光口，是最常见的一种采光形式。 适用场合：用于进深不大的房间采光。 例如：教室、住宅、办公室。 （2）天窗：利用房屋屋顶设置的采光口称天窗，这种采光方式称天窗采光或顶部采光。 适用场合：大型工业厂房和大厅房间。 特点：采光效率高，约为侧窗的8倍； 照度均匀性较好； 很少受到室外的遮挡。 天窗又可分为多种形式，如矩形天窗、锯齿形天窗、平天窗、横向天窗和井式天窗。 1）矩形天窗：采光效率低，眩光小，便于组织通风。适用于工业厂房。与侧窗联合形成在风压与热压作用下的联合自然通风。 2) 锯齿形天窗：单面顶部采光，顶棚为倾斜面，利用顶棚的反射光，提高采光效率，阳光不直射，减小了室内温湿度的波动。 适用于对温湿度要求稳定的车间。如纺织厂、卷烟厂 3）平天窗：采光口位于水平面或接近水平，采光效率高，不宜兼做通风口。会有大量阳光直射入室内，引起室内过冷或过热。同时容易污染，影响透光性能。 3.不同用途建筑对采光口形式的要求与采光口选择 （1）对于不允许阳光直射的房间： 如：纺织车间；常用锯齿形天窗为采光口，使射入室内阳光最少。 对于有通风要求的房间： 如：展览馆建筑：主要以采光为主，通风次之，可选用高侧窗或平天窗； 有大量余热或有害气体产生的车间，矩形天窗通风效果最好。 对于有烟气污染的车间，由于通风带烟尘会污染玻璃而影响采光。应将通风口与采光口分开距离布置。 （3）保温隔热的房间：开窗面积大虽然节约了照明能耗，但却造成了几倍于照明能耗的采暖空调能耗，应注意各类建筑能耗之间的平衡。达到经济的开窗面积。 （4）爆炸危险的房间：可设置大面积泄爆窗，从窗的面积和构造处理上解决减压问题，但需注意眩光和过热。 §6-4教室天然光环境设计示例 一、了解教室采光要求 教室的光环境应该保证学生看得清楚、舒适、不疲劳，要求整个教室保持足够的自然光亮度。且分布均匀。黑板上要有较高的照度。同时，合理安排教室亮度分布，清除眩光、且经济。 二、了解采光设计条件 满足采光标准，保证所需采光系数 采光系数：指室内某一点的天然光亮与同一时间内的室外无遮挡水平面上的天空扩散光照度的比值。 教室课桌面的采光系数最低不低于1.5%。为此，应尽量压缩窗间墙至1.0m或更小，抬高窗的高度，尽量采用断面小的窗框材料，使玻璃窗面积与地板面积比不小于1：6。 使照度均匀分布 双侧采光提高室内照度均匀度 3.对光线和阴影的要求 光线最好从左上方射来，防止手写字时挡住光，产生阴影。所以采光窗主要在左边。 4.避免眩光 注意从两方面来考虑：朝向选择和遮阳设施的选择。 窗口容易产生眩光，设置窗帘防止直射光射入室内。 三．教室采光设计的要点 1.室内装修 1）室内深处的光主要来自天棚和墙面反射，应选择高反光系数的材料。 2）室内相邻表面的亮度不应差别太大 例如： 外墙上的窗亮度大，因而窗间墙的表面装修应采用反光系数高的采料 黑板的反光系数低，在装黑板的端墙上的反光系数应该降低。 课桌应该选择浅色表面，避免与白纸和书形成过大的亮度对比 3）教室表面的装修宜采用扩散性材料，以便在室内形成柔和的光线，且无眩光。 2.黑板 黑板与书本之间不宜有过大的亮度差 油漆漆成的光滑表面，容易产生镜面反射，降低视度。 例如：毛玻璃与油漆黑板表面的对比 §6-5人工照明 一、人工光源 人工光源分为两大种类: 热辐射光源: 靠通电加热钨丝,使其处于炽热状态而发光； 气体放电光源: 靠放电产生的气体离子发光； 1．热辐射光源 普通白炽灯：原理：是用一种利用电流通过钨丝所产生的高温而发光的热辐射光源。 卤钨灯：发光效率和光色比白炽灯好,寿命比白炽灯长,约1500h。 2. 气体放电光源 荧光灯：发光效率高，一般达45lm/W，比白炽灯高3倍左右；由于荧光灯发光面积大，故表面亮度低，光线柔和，即使不用灯罩，也可避免强烈眩光出现；光色好。可根据不同的荧光物质成分，产生不同的光色；寿命长，为2000～8000h；有频闪现象。适用场合：广泛用于教室、办公室、医院病房、商店等。 荧光高压汞灯：管内工作压力为1～5个大气压，比荧光灯高得多，故称荧光高压汞灯。光效高，一般达50lm/W左右；寿命长，为5000h；显色性差，主要发蓝、绿光。适用场合：常用于街道、施工现场和不需要认真分辨颜色的大面积照明场所。 金属卤化物灯：与高压汞灯相似,区别在于此类灯的内管充有卤化物、汞蒸气、惰性气体等，外壳与内管之间充氮或惰性气体，外壳不涂荧光物质。由电子激发金属原子,直接发出与天然光相近的可见光。光效高，一般达80lm/W以上；光色好，单灯功率大，寿命短，一般不超过1000h；适用场合：常用于高大厂房和室外运动场照明。 低压钠灯：利用在低压钠蒸气中放电，钠离子被激发而产生波长主要在589nm的黄光。光效高，一般达140lm/W以上，最高达300lm/W；光谱单一，显色性差。在烟雾中，难以形成光幕，透视性好,(或透雾性很强)。适用场合：道路照明和灯塔的指示灯和航道，机场跑道照明。 高压钠灯：利用在高压钠蒸气中放电时，发出可见光的特性制成的。光谱单一，发出的是单色光，主要集中在黄绿光范围内；光效最高，寿命最长；透雾能力强 。适用场合：街道、道路照明，高大厂房等。 二、照明方式 1.一般照明 定义：在工作场所内,以照亮整个工作面为目的的照明方式称一般照明。 特点：灯具均匀布置在被照面上空，在工作面上形成均匀的照度。 适用场合：对光的投射方向没有特殊要求的场所，在工作面没有特别需要提高视度的工作点，工作点很密或不固定的场所。 2．局部照明：指在工作点附近，专门为照亮工作点而设置的照明装置。 适用场合：设置在照度高或对光线方向性有特殊要求处。 3．混合照明：在同一场所内，既有一般照明，又有局部照明。适用：用于要求高照度或要求有一定的投光方向，或工作面的固定点分布较稀疏的场所。 三、照明计算 1．照明计算内容：包括亮度、眩光、显色指数、经济与节能分析等。 2．方法：计算方法很多，仅介绍利用系数法： 光源发出的总光通量为Φ，在灯罩内损失了一部分。射入室内空间的光通中，一部分直达工作面（Φd），形成直射光照度；另一部分射到室内其他表面上，经过1次或多次反射才能射到工作面上（Φρ），形成反射光照度。故光源实际投射到工作面上的有效光通φu为： Φu = Φρ+Φd 定义灯具的利用系数Cu； Cu = Φu/Nφ 已知灯具的利用系数和光源光通量，可计算出房间内工作面的平均照度。 E=Φu/S=NΦCu/S 将上式变形，可得， Φ=ES/NCu 可求出为达到某一照度，要求安装灯泡的光通量。 若考虑照明设施在实际使用过程中，受污染的情况，致使照度下降，引入维护系数K,则， Φ=ES/NCuK