《建筑照明系统》PPT课件 (2).ppt

5 建筑照明系统 5.1 照明基本知识 5.2 常用照明电光源和灯具 5.3 照度计算 5.4 照明设计 5.1 照明基本知识 (1) 与所有物质一样，光也是一种物质，是物 质的一种存在形式，是能引起视觉的辐射能，它 以电磁波的形式在空间传播。可见光的波长在 380780纳米(nm)范围内，不同波长的光给人的 颜色感觉不同，如图5.1所示。 (2) 光谱 光源辐射的光往往由许多波长的单 色光组成，把光线中不同强度的单色光按波长长 短依次排列，称为光源的光谱。 5.1.1 照明技术的基本概念 (3) 光通量 光源在单位时间内，向周围空间 辐射出的、使人眼产生光感觉的能量，称为光通 量，用符号表示，单位为流明(lm)。人们通 常以电光源消耗1W电功率所发出的流明数(lm W)来表征电光源的特性，称为发光效率，简称光 效。电光源的光效越高越好。 人眼对可见光中波长为555nm的黄绿色光最 灵敏，波长离555nm越远(如波长较长的红光和波 长较短的紫光)灵敏度越低，所以光通量与光辐射 的强弱及其波长都有关系。 (4) 发光强度 发光强度是表征光源(物体)发 光能力大小的物理量。 光源在某一特定方向上单位立体角内(每球面 度，球的面积为4R2所张球面度为4）辐射的光 通量，称为光源在该方向上的发光强度(简称光强 )，用符号I表示，单位为坎德拉(cd)。 如图5.2所示，对于向各方向均匀辐射光通量 的光源，各方向的光强相等，其值为： (5) 照度 对被照物体表面而言，它单位面积 上所接受的光通量，称为该被照面的照度，照度 用符号E表示，单位为勒克斯（lx） 被光均匀照射的平面照度为： 表5.1给出了一些情况下的照度。 (6) 亮度 某一物体(或发光体)的表面亮度是 该物体单位面积向视线方向发出的发光强度。亮 度用符号L表示，其单位为坎德拉每平方米 (cd/m2)。 由于物体在各个方向的亮度不一定相同，因 此常在符号L的右下角注明角度，用以表示与物 体表面法线成角方向的亮度。 物体的亮度越大，人们就会感到它越亮。 (7) 色温 色温是电光源的技术参数之一。当 光源的发光颜色与黑体(能吸收全部光能的物体） 加热到某一个温度所发出的光的颜色相同时，称 该温度为光源的颜色温度，简称色温。 各种光源的色温 (8) 显色性和显色指数 同一物体在不同的光 源照射下，显示出不同的颜色，光源对被照物体 颜色呈现的真实程度称为光源的显色性。 对同一物体，在被测光源的光照射下呈现的 颜色，与在标准光源的光照射下呈现的颜色的一 致程度愈高，Ra则愈大，显色性愈好。表5.2所列 是常用电光源的一般显色指数Ra。 显色指数 定量表征光源显色的优劣。 用被测光源下物体的颜色与参照光源 下物体的颜色相符程度来衡量。 一般显色指数Ra 特殊显色指数Ri 显色指数等级 Ra=10080,显色性优良 Ra=7950,显色性一般 Ra 3003.05.0 金卤灯、高压钠灯 有反射罩1003004.57.5 有格栅反射罩3004.06.5 一般照明灯具的最低悬挂高度 (五) 光源的颜色和显色性 在需要正确辨色的场所(如某些实验室、生产车间和珠宝 金饰商店)应采用显色指数较高的光源，如白炽灯、日光色荧 光灯、日光色镝灯等。请参看教材P84。 (六) 照度稳定性 提高照明稳定性，采取以下措施 u 照明供电线路与负荷经常变化大的电力供电线路分 开，以减少负荷变化引起的电压波动。或采取稳压措施 。 u灯具安装注意避开工业气流或自然气流引起的摆动。 u被照物体处于转动状态的场合，避免使用有频闪效应 的交流气体放电灯。 电光源在采用交流电源供电时，由于交流电做周期 性的变化，因而电光源所发出的光通量也随之做周期性 的变化。这就会使人眼产生闪烁的感觉。 在采用气体放电灯作为照明光源时，若被照物体处 于转动状态，且转动频率刚好是电源频率的整倍数时， 则转动的物体看上去就如没有转动一样。这种在以一定 频率变化的光照射下，观察到的物体运动显现出不同于 其实际运动的现象，称为频闪效应。频闪效应易使人产 生错觉而造成事故。 （七）频闪效应 （八） 阴影和造型立体感(略) 在视觉环境中由于光源(或灯具)的位置不当造成不合适的 投光方向,从而产生阴影。 一般情况下，阴影会使人产生错觉或增加视力障碍，影 响工作效率，严重时甚至会引发事故。 通常采用改变光源的位置，或增加光源的数量等措施消 除阴影。 阴影与造型立体感密切相关。有时为了表现立体 物体的立体感，还往往需要适当的阴影来提高其可见 度。 造型立体感指的是三维物体被照明表现的状态， 它主要由光的主投射方向、直射光与漫射光的比例决 定。 适当的阴影能使一个房间的结构特征及室内的人 和物更加清晰，使整个环境令人赏心悦目。 热辐射光源气体放电光源 利用电能使物体加热到 白炽状态而发光的光源 利用气体和蒸气放电而发光 的光源 白炽灯、卤钨灯 荧光灯、躲藏光源 电 光 源 5.2 常用照明电光源和灯具 5.2.1 常用电光源 一. 电光源的分类 按电光源的发光原理,电光源主要分为两大类 。 (1) 热辐射光源和电光源 热辐射光源是当物体受热且热能足够大，使 原子或分子发生激烈的相互碰撞而激发产生的光 的发射。电光源是利用电流将物体加热到白炽程 度而产生的光。 属于热辐射光源的灯有白炽灯、卤钨灯。 （2） 放电光源 放电是指在电场作用下，载流子在气体(或蒸 气)中产生和运动，而使电流通过气体(或蒸气)的 过程。这个过程导致光的发射，可作为光源，即 放电光源。这种光源具有发光效率高、使用寿命 长等特点，很有发展前途。 按放电媒质分为： 气体放电灯。是利用气体中的放电发光， 例如氙灯、氖灯等。 金属蒸气灯。是利用金属蒸气(如汞蒸气 、钠蒸气等)中的放电，而主要由金属蒸气产生光 ，例如汞灯、钠灯等。 按放电形式分： 辉光放电灯。这种灯由辉光放电产生光。 放电要有阳极和阴极。放电时，阴极温度不高， 但要有足够的电子发射，又叫冷阴极灯。 弧光放电灯。是由弧光放电产生光。阴极 工作在较高的温度下，又叫热阴极灯，如荧光灯 、汞灯、钠灯等。 二.电光源的参数 (1) 额定电压和额定电流 光源在预定要求下工作所需要的电压和电流分别 叫做额定电压和额定电流，额定值下工作具有最好的 效果。 (2) 额定功率 灯泡(或灯管)在额定电流下工作所消耗的功率叫 额定功率。 (3) 发光效率 灯泡(或灯管)所发出的光通量与消耗的功率 P之比叫发光效率，记作，即： (4) 寿命 光源的寿命是指光源从初次通电工作的时候 起到其完全丧失或部分丧失使用价值的时候止的 全部点燃时间。 寿命又分两种： 全寿命 有效寿命 (5) 光色 光色包括色表和显色性两个方面。色表指光 源本身发光的颜色，即从外观上看到的光的颜色 。而显色性则反映被照物体所体现出的颜色。 1） 白炽灯 2） 卤钨灯 3） 荧光灯 4） 高强度气体放电灯 三. 常用电光源 SKIP （一） 白炽灯 靠电能将灯丝加热到白炽状态而发光。 (1) 白炽灯的构造 白炽灯的构造如图5.3所示，它主要由玻璃外 壳、灯丝、支架、引线和灯头组成。 灯丝一般都用钨丝制成。白炽灯的发光原理 就是当钨丝通过电流时，产生大量的热，使灯丝 温度升高到白炽的程度(24003000K)而发光。 (2) 白炽灯的工作特性 电流和功率 白炽灯的电流决定于灯泡的 供电电压和灯丝电阻。灯泡的容量用功率来表征 ，白炽灯的功率等于流过灯丝的电流和工作电压 的乘积。 光通量 输出白炽灯在运行中，其光通量 的输出随电网电压的变化而急剧地变化。 (3) 发光效率 灯泡的发光效率，钨丝白炽灯的发 光效率比较低，一般仅有10lmW左右。 (4) 寿命 平均寿命是许多灯泡寿命的算术平均值 。一般白炽灯的平均寿命为1000h。 (5) 光色 白炽灯所发的光与日光相比仍有一定的 差别，两者相比，白炽灯的红光部分较显著。 (6) 灯泡温度 白炽灯所消耗的电能首先变为热能 ，其中有很小一部分又转变为可见光，所以白炽 灯玻璃壳的温度是较高的。 (7) 亮度 白炽灯丝亮度很高，这样的亮度能够造 成眩光。为了减少灯泡的表面亮度，有些灯泡其 玻璃壳用磨砂玻璃或乳白玻璃制造。 （二） 卤钨灯 卤钨灯除在灯泡内充入惰性气体外还充入有 少量的卤族元素(氟、氯、溴、碘)，这样对防止 玻壳黑化具有较高的效能。 （1） 卤钨灯的结构 为了使管壁处生成的卤化物处于气态，管壁 温度要比普通白炽灯高得多，相应地卤钨灯的玻 壳尺寸就要小得多，温度也高得多，因而必须使 用耐高温石英玻璃或高硅氧玻璃。 （2） 卤钨灯的光特性 卤钨灯是在石英玻璃管内封进钨丝，充进惰 性气体和微量的磷或溴，制成双端引出型卤钨灯 。 卤钨灯，由于卤钨循环作用，而能防止管壁 发黑，改进了灯的工作特性，使灯的光效比普通 白炽灯有显著的提高(约为1821lmW)。由于卤 钨灯的充气压力比普通白炽灯高，所以寿命指数 较低，并且容易受振动、冲击而产生机械断丝。 显色性好，一般显色指数为Ra97，色温为3000 3200K。 （三） 荧光灯 荧光灯属于放电光源，是靠低压汞蒸气放电 ，利用放电过程中的电致发光和荧光质的光致发 光，形成光源。 它的优点是：结构简单、制造容易、价格便 宜并且发光效率高、光色好、寿命长。常见的普 通荧光灯是圆形截面的直长玻璃管子。在管子两 端各放一个电极。 荧光灯的典型结构如图5.4所示。 荧光灯是一种预热式低压汞蒸气放电灯。 由放电产生的紫外线辐射激发荧光粉而发光。 汞Ar 自持放电 电离 荧光粉 紫外线 可见光 （1） 荧光灯的工作原理 图5.5 荧光灯的接线图 荧光灯需要镇流器和启辉器才能正常工作。它的 接线如下图所示。 荧光灯的能量转换示图 荧光灯 灯管电极发热34 紫外线63 可见光3 紫外线发热38 荧光粉发光25 对流 传导 热 辐射 可见光 40W 100 28 72 （2） 荧光灯的工作特性 荧光灯的电流分为额定工作电流和额定启动 电流两项。额定工作电流根据灯管功率、灯管结 构和电流密度而定。额定启动电流是启动时预热 灯丝的电流，它比额定工作电流大。 在工作电流下，灯管上产生的电压降是荧光 灯的管电压。 1、电压的波动影响其使用寿命。 2、开关次数对寿命的影响 3、环境温度和湿度的影响 4、闪烁与频闪现象 （四） 高强度气体放电灯 “高强度气体放电灯(HIDHigh Intensity Dischange)是 高压汞灯、金属卤化物灯和高压钠灯的统称，其放电管的管壁负 荷大于3W/cm2(即3104W/m2)，工作期间蒸气压在 10132.5101325Pa (0.11atm)之间。 (1)荧光高压汞灯 1、灯头 2、起动电阻 3、起动电极 4、主电极 5、放电管 6、金属支架 8、辅助电极 9、外玻壳 荧光高压汞灯的结构 高压汞灯的优点是光效高、 寿命长、省电、耐震。 放电管 耐高温、高压的透明石英管，管内充有一定量 的汞外，还有少量氩气以降低起动电压和保护电极 。 主电极 由钨杆及外面重叠绕成螺旋的钨丝组成，并在 其中填充碱土氧化物作为电子发射物质。 辅助电极(启动电极) 通过起动电阻和另一主电极连接，有助于灯的 顺利起动。 外泡壳 抽成真空，还充入数十千帕的氖气或氖氩混 合气体作绝热用。 采用椭球形，起保温作用，防止环境对灯的影 响。 内壁上涂敷荧光粉，将灯的紫外辐射或短波长 的蓝紫光转变为长波的可见光，提高光效，改善光 色。 图5.6 高压汞灯 (a) 高压汞灯的构造；(b) 高压汞灯的工作电路图 原理：当开关S合上， 首先在辅助电极和主电极 之间发生辉光放电，产生 大量的电子和离子，从而 引发两个主电极间的弧光 放电，灯管启燃。 辉光放电电流受到起 动电阻R(4060k)的限 制，使主、辅电极之间的 电压远低于辉光放电所需 的电压，所以弧光放电后 辉光放电立即停止。 在启燃的初始阶段，放 电管内的气压较低，放电 只在氩气中进行，产生的 是白色的光。 随着放电时间的增 加，放电管的温度不断升 高，汞蒸气的压力也逐渐 上升，放电也逐渐转移到 在汞蒸气中进行，发出的 光由白色变为更明亮的蓝 绿色。 原理： 荧光高压汞灯的主要辐射来源于汞原子激发，以 及通过泡壳内壁上的荧光粉将激发后产生的紫外线转 换为可见光。 光电参数：见表 光谱能量分布：连续光谱成分较大 色温：约5500K 显色指数：3040 光效：50lm/W 寿命：国内50006000h，国际水平24000h (2)金属卤化物 灯 20世纪60年代在高压汞灯基 础上发展起来的新型光源。 2、起动电阻 3、起动电极 4、主电极 5、放电管 6、金属支架 7、消气剂 9、外玻壳 10、保温膜 金属卤化物灯的结构 9 放电管 透明石英管、半透明陶瓷管。管内充气体 u汞不仅提高光效、改善电特性还有利于启动。 u易电离的氖氩混合气体(改善灯的启动)。 u依靠金属(如铊、铟、镝、钪、钠等)原子的辐射发光，以 金属卤化物的形式存在原因： u金属卤化物的蒸气气压一般比纯金属本身的蒸气气压 高得多，可满足金属发光所要求的压力； u金属卤化物(氟化物除外)都不和石英玻璃发生明显的 化学作用，可抑制高温下纯金属与石英玻璃的反应。 主电极 用“钍钨”或“氧化钍钨”作为电极，并采用 稀土金属的氧化物作为电子发射物质。 外泡壳 采用椭球形，涂有荧光粉，增加漫射，减少眩光。 辅助电极(放电管内） 或双金属启动片(泡壳内) 消气剂 灯长期工作，支架等材料的放气，使泡壳内真空 度降低，在引线或支架之间会产生放电。采用氧化锆 的消气剂以保护灯的性能。 保护膜 为提高管壁温度，防止冷端(影响蒸气压力)的产 生，需在灯管两端加保温涂层，常用二氧化锆、氧化 铝。 原理： 金属卤化物灯主要辐射来自于各种金属(如铊 、 铟、镝、钪、钠等)的卤化物在高温下分解后产生 的 金属蒸气(和汞蒸气)混合物的激发。 灯起动点燃后，灯管放电开始在惰性气体中 进 行，灯只发出暗淡的光，随着放电继续进行，放 电管产生的热量逐渐加热玻壳，使玻壳温度升高 ，汞和金 属卤化物迅速蒸发，扩散到电弧中参与放电，当 金属 卤化物分子扩散到高温中心后分解成金属原子和 卤素 原子，金属原子在放电中受激发而发出该金属的 特征 光谱。 光电参数：见表 光效：高于高压汞灯 色温：较高，属冷色灯 光谱能量分布：具有较多的连续光谱成分 显色指数：较高 4、主电极 5、放电管 6、金属支架 7、消气剂 9、外玻壳 (3)高压钠灯 是利用高压钠蒸气放电发光的光 源 高压钠灯的结构 9 放电管 特殊制造的透明多晶氧化铝陶瓷管，多晶氧化铝 陶瓷管能耐高温、高压，对于高压下的钠蒸气具有稳 定的化学性能(抗钠腐蚀能力强)。 u钠和汞是以“钠汞齐”形式放入(一种钠与汞的固 态物质)； u氩气可使“钠汞齐”处于干燥的惰性气体中； u氙气作为驱动气体改善起动性能。 u小内径放电管可获得最高的光效。 主电极 由钨棒和以此为轴重叠绕成螺旋的钨丝组成， 在钨螺旋内灌注氧化钡和氧化钙的化合物作为电子 发射物质。 外泡壳 采用椭球形、直管形和反射型。 为防止雨滴飞溅到工作中的钠灯管上而引起炸 裂，用耐热冲击的硼酸盐玻璃制作。 消气剂 泡壳内需要维持高真空，以保护灯的性能及保 护灯的金属组件不受放出的杂质气体的腐蚀，采用 钡或锆铝合金的消气剂达到高真空的目的。 原理： 高压钠灯为冷启动，没有辅助电极，启燃时工作电极之 间要有10002500V的高压脉冲。必须附设启燃触发装置 。内触发（双金属片、电阻、触头） 高压钠灯主要辐射来源于分子压力为104Pa的金属钠蒸 气的激发。 光源接通后，起动电流通过触发装置产生很高的脉冲电 压，使放电管击穿放电，开始放电通过氙气和汞进行的，灯 光为很暗的红白辉光。随着放电管温度上升，向高压钠蒸气 放电过渡，经过5min左右趋于稳定，光色为白金色。 光电参数：见表 光效：最高70150lm/W 色温：黄色，20002100K 光谱能量分布：589nm及附近的谱线强 烈 显色指数：2025 寿命：国内10000h，国际水平20000h 部分HID灯的光电参数 光效：高压钠灯金属卤化物灯荧光高压汞灯 高强度气体放电灯(HID灯) 图5.3 白炽灯的构造示意图 1灯头；2康铜丝外导线；3芯柱管； 4中心杆； 5支撑；6灯丝； 7焊锡；8排气管；9排气孔； 10铜外导线；11杜镁丝；12内导线； 13玻壳；14氩气 图5.4 荧光灯管 1灯头；2灯脚；3玻璃芯柱；4灯丝（钨丝，电极）； 5玻管（内壁涂覆荧光粉，管内充惰性气体）；6汞（少量） 照明器是由光源、照明灯具及其附件共同组成 的。 照明器的作用: u 固定光源和保护光源，使之与电源安全可靠地连接。 u美化环境 u对光源产生的光通量进行再分配、定向控制以及防止光源 产生眩光。 5.2.3 灯具(照明器) 一. 灯具的特性 (1) 灯具的配光曲线 灯具在空间各个方向上的光强的分布曲线称 配光曲线。 配光曲线是衡量照明器光学特性的重要指标 ，是进行照度计算和决定照明器布置方案的重要 依据。 配光曲线可用极坐标法、直角坐标法、等光 强曲线法来表示。 极坐标配光曲线 以极坐标原点为光中 心，以极坐标角度表示灯 具的垂直角，以极坐标矢 量长度表示光强的大小， 以一定比例的光强值为半 径作一系列同心圆表示等 光强线。 通过光中心作该灯具在一个垂 直平面内不同垂直角的光强有向线 段，把线段末端连接起来，得到该灯 具的配光极坐标曲线。 乳白玻璃水晶底吊灯的配光曲线 若实际光源的光通量不是1000lm，光强可根据 下面公式换算： 如果一个照明器安装了两只或更多光源，光强换 算时s取它们的光通量之和。 直角坐标配光曲线 对于聚光型照明器，光束角很小（光束集中在狭小的 立体角），用极坐标表示光强读数困难。 冷反射卤钨灯的配光曲线 直角坐标配光曲线 等光强配光曲线 对于光强分布不对称的照明器，需要用许多平面 上的配光曲线才能表示空间分布，可采用等光强配光 曲线表示光强。 等面积天顶投影等光强曲线 围绕灯具 的球表面上的 一个平面内， 将等光强点连 接成圆形等光 强配光曲线， 并以相等的投 影面积表示相 等的包围灯具 的球面面积。 (2) 光效率 灯具的光效率是照明器输出的光通量与光 源光通量s之比，即 (3) 保护角 通过灯丝或光轴的水平线M与灯光边界线N 之间所成的夹角，称为保护角，如图5.8所示。保 护角可由下式决定： 保护角的作用是限制光源对人眼产生直接眩 光，角度越大作用越大。一般灯具的保护角要求 在1530之间。 二. 灯具的分类 (1) 灯具按光通量再分配情况分类 灯具通常是按总光通量在空间的上半球和下 半球的分配比例来分类的。如表5.4所列。 直接型灯具 半直接型灯具 均匀漫射型灯具 半间接型灯具 间接型灯具 (2) 按安装方式分类 悬吊式 吸顶式 壁装式 其它还有：落地式、台式、嵌入式等。 灯具的布置就是确定灯具在房间的空间位置 ，这与它的投光方向、工作面的布置、照度的均 匀度，以及限制眩光和阴影都有直接的影响。灯 具布置是否合理，还关系到照明安装容量和投资 费用，以及维护、检修是否方便等。 灯具的布置应根据工作物的布置情况，建筑 结构形式和视觉工作特点等条件来进行。 灯具的布置主要有两种方式。 三. 灯具的布置 （1） 均匀布置 灯具有规律地对称排列，以便使整个房间内 的照度分布比较均匀。均匀布灯有正方形、矩形 、菱形等。均匀布灯的方式，如图5.9所示。 （2） 选择布置 为适应生产要求和设备布置，加强局部工作 面上的照度及防止工作面上出现阴影，而采用灯 具位置随工作表面安排的方式，称选择布置。 室内一般照明，大部分采用均匀布置的方式 ，均匀布灯是否合理，主要取决于灯具的间距L 和计算高度H(灯具距工作面垂直距离如图5.10所 示)的比值(称距高比)是否恰当。 实际距高比必须小于照明手册中规定的灯具 最大距高比。各种灯具最有利的L/H值,见表5.5,荧 光灯的最大容许距高比值见表5.6。 灯具计算高度H的确定 灯具悬挂高度的各种参数如图5.10所示。图 中房间总高度为h，灯具悬挂高度（或安装高度 ）为h1，工作面的高度为h2，灯具的垂吊高度（ 或垂足）为h3，计算高度H为： H=h-h2-h3 或 H=h1-h2 灯具的竖向高度布置应考虑电气安全限制 直接眩光等因素。室内灯具的悬挂高度不宜过高 也不宜过低。可参看教材P92 。为限制直接眩光 ，对灯具悬挂的最低高度也有一个限制，参见表 6-6 。 一般办公室、教室、阅览室等的工作面高度 可取0.75m，库房等取0.15m等。灯具的垂吊高度 应根据室内层高和建筑照明要求来确定，一般情 况下，可在01.5m之间取值。 灯具间距L的确定 灯具均匀布置常用的形式有：正方形、长方 形、菱形等,如图5.9所示。 当灯具布置为正方形时，如图5.9（a），灯 间的距离为： L=La=Lb 当灯具布置为长方形时，如图5.9（b），灯 间的距离为： 当灯具布置为菱形时，如图5.9（c），灯间 的距离为： 墙边有工作面时，灯具与墙边的距离为： l=(0.250.3)L 墙边无工作面时，灯具与墙边的距离为： l=（0.40.5）L 一般，最边上灯具与墙的距离： 图5.9 灯具的均匀布置 (a) 正方形；(b) 长方形；（c） 菱形 图5.10 灯具的计算高度示意图 表5.5 灯具最有利的距高比值 灯具类型 多列布置时的L/H 单列布置时的L/H 最有利值 最大允许 值 最有利值 最大允许 值 圆球灯，防水防尘灯 2.33.21.92.5 无罩，磨砂罩万能型 灯 1.82.51.82.0 深罩型灯，塔型灯 1.51.81.51.7 镜面深罩型灯，下部 有玻璃隔栅的荧 光灯 1.21.41.21.4 表5.6 荧光灯的最大允许距高比值 四. 照明器的选择 照