16项目四电气照明工程基本知识ppt课件.ppt

1 项目4 电气照明工程 2 电气照明工程基础知识 2 2 概述 简介电气照明的分类电气照明的特性课程所用教材及主要参考书课程目的 主要内容及特点教学方式和考核方式 3 概述 照明使我们能看清我们的环境是什么样 它能使我们感觉好与不好 它能让我们感受到惊奇 兴奋等 我们不能触摸到光 而且对于其很大的一部分 我们都看不见 我们能看到的是光产生的效果 而这是非常神奇的 这就是我们从历史的 生物的和心理的角度来看的光与照明 我们要通过照明来使我们的环境看起来越漂亮越好 4 概述 一 简介1 应用范畴 图示 5 图示1 6 图示2 7 图示3 8 图示4 9 图示5 10 图示6 11 概述 照明使我们能看清我们的环境是什么样 它能使我们感觉好与不好 它能让我们感受到惊奇 兴奋等 我们不能触摸到光 而且对于其很大的一部分 我们都看不见 我们能看到的是光产生的效果 而这是非常神奇的 这就是我们从历史的 生物的和心理的角度来看的光与照明 我们要通过照明来使我们的环境看起来越漂亮越好 12 每一个照明专家都不相同的 每个专家对每一个工程项目都会带来其独特的照明理念 经验和照明技术 GaryR Steffy 照明远不止是确定多少灯具可以发出多少尺蜡光 又失去了多少的光 真正的难题在于建成一个照明的系统 使其能够让人们在设计的内外环境中正常工作 FrankA Horentinc 如果你真的想要了解照明 你必须从对身边的事物观察开始 你去看日落和日出 看一下正午的太阳 看看它们对外面的物体有什么影响 你所作的照明设计工作就是要把一些对于视觉信息处理至关重要的因素抽出来 再放到电灯里去 13 每一个照明专家都不相同的 每个专家对每一个工程项目都会带来其独特的照明理念 经验和照明技术 JulesG Horton PE我要明白这个空间是用来作什么用的 人们要在这个环境中体验一种什么样感觉 那么我就会用我的照明设计来让他达到目的 帮他们对这种体验发挥到极致 BabaraErwine现在建筑设计方面有一个新发展的方向 那就是更具有社会责任感 不要掘取过多的自然资源 为人们建设更多的健康的环境 这要有两个方面的努力 一方面 设计师在处理设计偏好方面要注意 另一方面 使用者在决定需要什么样的家居的时候也是很重要的 14 通过照明器和照明技术而达到人工采光效果的系统工程称为照明工程 光源的分类自然光源 阳光 人工光源电光源 稳定 充足 非电光源 多变化 不稳定 照明系统的重要性除特殊情况外 白天一般用自然光源采光 而一旦采光条件不佳时或特殊要求 必须进行人工采光 以弥补自然光的不足 2 照明工程 15 二 电气照明的分类1 按功能分类 住宅照明 办公照明 商业照明 宾馆照明 广场及园林照明等 2 按工作方式分类 一般照明 局部照明 混光照明 概述 16 概述 一般照明 为照明整个场地而设置的均匀照明 就是对工作位置密度很大而对光照方向无特殊要求的场所 局部照明 为照亮某个局部而设置的照明 混光照明 一般照明和局部照明的混合体 对于工作位置视觉要求较高 且对照射方向有特殊要求的场所 往往采用混光照明方式 17 3 按种类分类工作照明 事故照明 装饰照明 特种照明等 概述 18 概述 三 电气照明的特性满足人类最基本的视觉要求 充分改善明视环境质量 营造良好的光照氛围 照明器的功能性和装饰性 19 概述 通过以上分析照明系统的发展已超越了单纯照明的观念 逐步上升到一种文化和艺术的境界 并且与光学 美学 建筑学和园林艺术溶为一体 成为一门综合性的设计工艺 20 四 课程所用教材及主要参考书 1 使用教材谢秀颖 电气照明技术 第2版 中国电力出版社 2009 21 2 主要参考书 王晓东 电气照明技术 机械工业出版社 北京照明学会照明设计专业委员会 照明设计手册 中国电力出版社 俞丽华 电气照明 第2版 同济大学出版社 赵振民 照明工程设计手册 天津科技出版社 戴瑜兴 现代建筑照明设计手册 湖南科学技术出版社 赵德胜 建筑电气照明技术 机械工业出版社 22 朱学莉等 建筑电气CAD 建筑工业出版社黄民德 胡素勤 迟长春 建筑电气技术基础 天津大学出版社孙建民 电气照明技术 中国建筑工业出版社 2 主要参考书 23 目的 掌握电气照明技术的基本概念 基本原理和基本设计方法 培养分析问题 解决问题及工程设计的能力 了解 绿色照明 工程实施的重要性 拓宽知识面 为以后的学习 创新 工程设计和科学研究工作打下扎实的理论和实践基础 五 课程目的 主要内容及特点 24 主要内容 基础知识电光源照明灯具照明计算照明设计 光照设计和照明电气设计 照明应用照明测量 25 包含光学 电工学 照明工程学 建筑工程学 生理学 心理学 环境学 社会学等多学科知识独特的度量系统和工程设计计算方法 相应的 建筑照明产品更新换代频繁 特点 26 六 教学方式和考试方式 27 第一章照明技术的基本知识 光光与视觉光与颜色绿色照明 28 1 1光 一 光和光谱1 光的概念 1 与所有物质一样 光也是一种物质 是能量的一种存在形式 是能引起视觉的辐射能 它以电磁波的形式在空间传播 光的本质是一种电磁波 电磁辐射 第一章照明技术的基本知识 29 2 辐射能能量的发射和传播过程 称为辐射 光源辐射出来的光 包括红外线 可见光和紫外线 的能量称为光源的辐射能 当这些能量被物质吸收后 可以转换成其它形式的能量 30 3 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 4 可见光在波谱范围内仅占极小的比例 如图7 8所示 可见光的波长在380 780纳米 nm 范围 31 图7电磁波谱 32 第一章光的特性 图8波谱曲线图 380780nm 可见光 F nm 10 7nm 1014nm 33 5 任何物体只要能发出 380 780 nm波长的辐射能就可以用于采光 光源的形成 6 辐射能在传播过程中 不同波长的可见光会引起人的视觉不同的色感觉 将依次展现出不同的颜色 如图7 8所示 34 光的本质 科学家常采用如下理论阐述光的本质 电磁波理论量子论 35 电磁波理论 Maxwell提出 发光体以辐射能的形式发射光 而辐射能又以电磁波的形式向外传播 电磁波在人眼上就产生光的感觉 光在空间运动可用 电磁波理论 解释 36 量子论 普朗克提出 发光体以分立的 波束 形式发射辐射能 这些波束沿直线发射出来 作用在人眼上产生光的感觉 光对物体的效应可用 量子论 解释 37 2 光谱辐射通量及其能量分布 1 光谱辐射通量辐射通量 或称为辐射功率 指某物体单位时间内发射或接受的辐射能量 或在介质 也可能是真空 中单位时间内传递的辐射能量 单位为W 任意波长的电磁辐射的能量都可以用辐射通量来度量 38 依据复合光中各种波长的辐射通量的分布情况 分为 具有线光谱的复合光 只包含有限几种波长 具有连续光谱的复合光 包含无限多种波长 39 光谱辐射通量用来定量描述复合光中各波长的辐射通量的分布 光谱辐射通量定义为辐射源在给定波长无限小范围内产生的辐射通量与该波长范围之比 其基本单位为W m 40 光谱的辐射能量随波长而变化的规律称为辐射通量的光谱分布 通常称为光谱能量 功率 分布 图1 2表示具有连续光谱成分的复合光的光谱能量分布 图1 3具有线光谱成分的复合光的光谱能量分布 2 辐射通量的光谱分布 41 主要是评价人体视觉对各种颜色的灵敏度 用来度量辐射能所引起的视觉能力的量称为光谱光视效率 人眼对波长为555nm的黄绿光感受效率最高 对其它波长的光感受效率比较低 故称波长为555nm为峰值波长 3光谱光视效率 42 光谱光效能的意义是单位辐射通量产生的视觉强度 用符号K 表示 单位为lm W 光谱光效率是给定波长的光谱光效能K 与最大光谱光效能Km之比 其表达式为式中K 给定波长 辐射的光谱光效能 lm W Km 辐射的最大光谱光效能 lm W V 给定波长 辐射的光谱光效率 43 CIE 国际照明委员会 规定了一个标准光度观察者 称为CIE标准光度观察者 并根据有关研究 先后提出了在明视觉条件下 适应亮度约为10cd m2以上 获得的明视觉光谱光效率值V 和暗视觉条件下 适应亮度小于10 2cd m2 获得的暗视觉光谱光效率值V 如表1 1所示 图1 4为对应于表1 1的CIE标准光度观察者光谱光效率曲线 44 555nm 锥状细胞最大灵敏度波长 507nm 柱状细胞最大灵敏度波长 V 为明视觉的光谱光视效率曲线 V 为暗视觉的光谱光视效率曲线 图1 4CIE光度标准观察者光谱光效率 注 CIE为法文缩写 国际照明委员会 45 在照明技术中 由于光作用于人的眼睛所产生的视觉强度 不仅与光能量的大小有关 还与光的波长有关 所以单纯采用能量参数来描述光的特性往往不能满足要求 为了更好地研究光在照明工程中的应用 通常采用的是以视觉效果来评价光辐射的量 光度量 光度量与辐射度量之间有密切关系 前者可以从后者导出 二常用的光度量 46 1 光通量 光通量是指光源在单位时间内向空间发射出的能使人产生光感觉的能量 辐射能通量 它是根据人眼对光的感觉来评价的 光通量的实质是表征光源辐射能量的能力 是光度量概念中基本的物理量 单位 流明 Lm 40W白炽灯光通量为350Lm36W荧光灯光通量为2500Lm T8 47 当辐射体发出的辐射通量按V 曲线的效率被人眼所接受时 其表达式为 1 2 式中 光通量 lm Km 最大光谱光效能 在单色辐射时 明视觉条件下的Km值为683lm W m 555nm V 明视觉的光谱光效率 d e d 辐射通量的光谱分布 48 光通量的单位 流明 lm 光学中有一个基本单位叫 流明 它是光通量的单位 光通量是这样定义的 光源在单位时间内向周围空间辐射并引起光感的辐射能通量 光源在单位时间内发射出的能量本是一个功率单位 功率的单位是W 但光通量的单位不用W 而是用流明 lm 表示 就是因为 光通量 不是能量的全部 而是 能使人产生光感的辐射能通量 49 此外 对于任何一种电光源而言 它所发出的电磁波 除可见光外 都或多或少的含有红外线和紫外线 故严格地说 光通量只是光源发出的可见光范围内我们能感觉到的那部分光功率 50 第一章光的性质 2 发光效率 消耗单位电功率所发出的光通量 简称光效 它表征电光源的特性 单位 lm w 51 第一章光的特性 3 发光强度 I 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 所发出的光通量 称为光源在该方向上的发光强度 简称光强 它表示不同方向光通量的分布情况 单位 坎德拉 cd 坎德拉是国际单位制的基本单位之一 其它光度量单位都是由光强的单位推导出来的 52 第一章光的特性 I d d d 0 d 立体角元 d 在立体角元内传播的光通量 53 第一章光的特性 对于向各方向均匀辐射光通量的光源 如图9所示 各方向的光强相等 其值为 式中 光通量 单位立体角 实际上 发光强度就是向一定方向辐射的光通量的角密度 54 图9发光强度的定义 55 裸光源 40w 配灯具光源 40W 平均光强为28cd 平均光强为70 80cd 如配镜面反射罩 光强可达数百cd 56 第一章光的性质 光通与光强的关系 在光通量不变的情况下 随着配置灯具的不同 发光强度可以发生变化 从应用中可以发现 上图 光通在空间的分布更为集中 密度更大 相应的光强也提高了 57 第一章光的特性 第一章光的性质 照度是用来表达被照面上光的强弱 判别被照物上的照明情况 它用被照场所光通量的面积密度来表示 被照面单位面积上接受的光通量称为照度 E d dA单位 勒克司 lx 1lx表示在1m2面积上均匀分布1lm光通量的照度值 4 照度 E 58 被光均匀照射的平面的照度为 表1给出了一些情况下的照度 59 表1一些情况下照度值 60 第一章光的特 常见照度晴朗满月夜0 2lx白天良好采光100 500lx晴天室外太阳散射1000lx中午太阳直射10万lx20lx是刚能识别人脸 作为交通区域内的最低照度 100lx是交通区能接受的照度水平 效果最好 200lx是所有工作室以及人需要在其中停留较长时间的最低照度 61 5 亮度 L 第一章光的特性 亮度是描述发光面或反光面上光的明亮程度的光度量 并且 亮度考虑了光的辐射方向 所以它是表征发光面在不同方向上的光学特性的物理量 亮度表示光源单位面积上的发光强度 L Ia Sa单位 尼特 cd m2 亮度与被照面的材料特性有关 62 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 63 第一章光的特性 常见亮度 cd m2 太阳表面1 6 109以上晴天的天空8000阴天5600荧光灯 0 5 15 104 64 6 光度量的比较 第一章光的特性 1 从定性的角度分析光度量的基本概念 了解其内在关系 2 光通量 光效 光强和亮度反映光源特性的基本量 说明的是光源的发光情况 3 照度是表征被照物接受光通强弱的物理量 有着本质的区别 4 其次在应用中 单位上比较容易混淆 在定性和定量分析中 各有所偏重 65 光子 a b c 图1 7辐射的激发和自激发 a 外层电子在基态的轨道上 b 电子跳到激发态的轨道 c 电子落回基态而发出一个光子 三 光的辐射1 辐射的产生 66 原子辐射的光谱成分取决于原子的能级 孤立的原子往往发射单一波长的光子 实际上原子不可能完全孤立 原子之间的相互作用会使能级间产生轻微的相互影响 结果使相应的光子波长也有变化 因此 实际物体内的激发原子所产生的是有限几种线光谱成分的复合光 而对多原子分子而言 其能级要比单一原子丰富得多 而且能级之间的间隔也小 结果使分子光谱接近连续光谱 67 目前 在人工光源中常用的辐射源主要有三种形式 热辐射气体放电电致发光 68 2 热辐射 热辐射是物体因热而产生的辐射 当物体被加热到高温时 组成它的原子或分子将产生热运动 并相互碰撞使电子获得能量而激发 从而产生辐射 1 黑体辐射热辐射的理论研究主要是通过黑体进行的 黑体的特点是入射到黑体上的光辐射将完全被吸收 而没有反射和透射 所以黑体的热辐射将只取决于黑体的温度 也就是温度达到一定的值 其光谱能量分布也将是确定的 69 著名的普朗克定律所描述的就是不同温度下的黑体的光谱辐射功率与波长的函数关系 如图1 8所示 这种形式的辐射称为热辐射或黑体辐射 黑体的辐射是具有连续光谱成分的复合辐射 70 黑体辐射的主要特点 随着温度升高 黑体辐射的总能量迅速增加 随着温度升高 黑体辐射曲线的最大值偏向短波 即具有最大辐射功率的波长和黑体的温度成反比 与该特点相对应的现象是物体加热后随着温度逐步 其颜色先发红 再变黄 最后发蓝 此外 当温度达到5000K左右 黑体将变成白炽色 且可见光成分占其辐射总能量的比例也最大 所以 在2000 5000K范围内 黑体的辐射温度越高 最大辐射功率的波长越移近可见光区 71 2 钨丝辐射 钨丝辐射的能量分布如图1 9所示 钨丝辐射曲线的形状与黑体辐射的分布曲线很相似 但是由于钨丝在可见光区域内的选择辐射率较高 所以钨丝辐射功率的峰值比同温度的黑体偏向于可见光区 显然用钨丝作光源比用同温度的黑体作光源光效要高 此外 钨丝辐射波长范围很广 其中可见光仅占很少的比例 紫外线也很少 绝大部分是红外线 72 3 气体放电 在电场的作用下 载流子在气体 或蒸汽 中产生并运动 从而使电流通过气体 或蒸汽 的过程称为气体放电 在正常情况下 气体里通常没有自由电子 只有当气体原子被电离产生电子和正离子时才能导电 图1 10表示通过电离气体管的放电 电场使电子向阳极漂移 正离子向阴极漂移 通过管子的总电流是电子和离子流的总和 离子比电子重几千倍 而且很少移动 离子流通常只是总电流的0 1 1 73 气体放电主要是在充有气体的管中以原子辐射形式产生光辐射 根据管中气体的压力 分为 低气压放电高气压放电 74 4 电致发光 电流通过像半导体等固体物质时所产生的发光现象称为电致发光或场致发光 电致发光不需要任何像加热这样的中间过程 而是直接把电能转化成光能 若在半导体中掺入少量的杂质 可以局部地破坏半导体内原子原有的整齐排列 产生一些特殊的能级 称为局部能级 半导体在电场的作用 激发 下在各能级之间会发生激发迁移或去激发跃迁过程 电子发生去激发迁移时将会把它受激发所吸收的能量释放出来 转换成光能 电致发光的辐射波长取决于跃迁前后所在能带 或能级 之间的能量差 75 四 材料的光学性质 第一章光的特性 1 反射比 透射比 吸收比 i i i i i 76 第一章光的特性 第一章光的性质 1 光在传播过程中能量应守恒 1 2 在选择灯具材料时 为提高其工作效率 一般采用反射比较高的材料