08建筑光学3.ppt

第四节空间光环境评价的基本要素 一 视度及其影响因素 人们看物体的清楚程度叫着视度 它受以下因素的影响 1 亮度 一个优良的光环境 应能充分发挥人的视觉功效 使人轻松 安全 有效地完成视觉作业 同时又在视觉和心理上感到舒适满意 如何评价光环境 我们引入视度的概念 当物体发光或反光时 人们才能看见它 实验表明 人们能看见的最低亮度叫最低亮度阈 最低亮度阈仅10 5cd m2 若亮度过大 超出眼睛的适应范围 眼睛的灵敏度反而会下降 当物体亮度超过16 104cd m2时 人们就感到刺眼 以对照度感到 满意 的人所占的百分数为统计结果 符合正则分布 最大百分比在1500 30001x之间 P185图8 19 2 物体的视角 需辨别的物体尺寸对眼睛所形成的平面角称为物体的视角 物体的视角越大 被辨别的物体的清晰度越高 其视度越大 顺便指出 我们平时说物体尺寸越大就越易判别是隐含了距离不变的条件 3 识别时间 观察物体 从眼睛发现到形成视觉是一个复杂的生物物理过程 光线进入眼睛 经过瞳孔收缩 调视 适应 视神经传递 大脑分析 判断 最后才形成视觉 判别物体 因此观察物体 从眼睛发现到形成视觉需要一定时间 这样的时间称为判别时间 视角的计算公式 此外 被观察的物体的表面必须能发出足够的光能 以保证形成光刺激所必须的能量 这样才能形成视觉 在一定条件下 识别时间与亮度之间遵循邦森 罗斯科定理 亮度 时间 常数 4 背景亮度 亮度对比 被观察对象周围的环境称为背景 其亮度称为背景亮度 用Lb表示 其单位为 cd m2 另外在明暗环境转换的过程中 要经过一段时间才能有看不清逐渐到看的清的适应过程 P187图8 24 P187图8 23 背景亮度对被观察物体的清晰度有很大的影响 如果两者亮度一致 那我们很难分清被看物体的细节 即 被看对象与背景间一定要有亮度差 差异越大 其视度就越高 在建筑光学中 上述规律常用亮度对比系数C来表示 其定义为 式中 为被观察物体与背景的亮度差 其单位与Lb相同 视功能曲线 物体亮度 视角大小和对比三个因素对视度的影响是互相关联的 该关联由曲线表示 见 186图8 22 1 视角相同条件下 对比度下降 需增加照度才能保持相同的视度 反之 2 在视角不同条件下 视角越小 需要高的照度才能保持相同视度 3 一般情况下 天然光比人工光更利于视度提高 目标大时 差异不明显 5 避免眩光 当视野中出现过高的亮度或过大的亮度对比时 会引起视觉的不舒服 并会造成视觉降低的现象称为眩光 它是评价光环境的一个重要指标 根据眩光的成因和它对视觉的影响 眩光可分为多种类型 如果产生眩光的光源直接出现在视野中被看到 这样的眩光称为直接眩光 这样的光源称为眩光光源 例如 大面积发光的发光顶棚 其亮度过大时所产生的眩光就是直接眩光 如果产生眩光的光源不出现在观察物体的方向上 这样的眩光就叫间接眩光 由于它不出现在观察物体的方向上 所以这种眩光对视觉的影响相对要小一些 如果眩光是由发光体的镜面反射形成的 这样的眩光称为反射眩光 例如 镜中所看到的太阳光 如果产生的眩光会使人的视觉功能有所降低 甚至看不清物体 这样的眩光称为失能眩光 如果产生的眩光会使人眼感觉不舒适 这样的眩光称为不舒适眩光 眩光不仅使视度降低 而且有害人体身体健康 应尽量避免 通常可通过限制光源亮度 适当改变光源位置 提高环境亮度等措施来限制 消除或减轻直接眩光的措施 限制光源亮度 增大面积 降低亮度 如加灯罩等 增加眩光源的背景亮度 减少二者之间的亮度对比 减少形成眩光的光源的视看面积 既光源对观测者眼睛形成的立体角 尽可能增大眩光源的仰角 减少反射眩光的方法 尽量使视觉作业的表面为无光泽表面 以减弱镜面反射而形成的反射眩光 2 应使视觉作业避开和远离照明光源同人眼形成的镜面反射区域 3 使用发光表面面积大 亮度低的光源 4 使引起镜面反射的光源形成的照度在总照度中所占比例减少 从而减少反射眩光的影响 不可避免的眩光源可想法降低其照度 亮度 二 主动式光源和被动式光源 人们习惯上有这样一个认识 只有太阳 灯管 灯泡这些自身发光的才叫光源 而实际上被照亮的界面也是一种光源 它们是两种不同的光源 前者可称之为主动式光源 后者为被动式光源 主动式光源在光环境设计中大多存在这样一个矛盾 由于表面亮度极高以至于成为眩光 在亮度空间中是一个 畸点 因此主动式光源只能提供光照而不能参与亮度空间的构成 而被动式光源自身是一种适宜的亮度 是一个美丽的 光亮 因而可直接成为亮度空间构成的有机组成部分 使光照与亮度统一起来 三 光环境质量的评价的基本要素 评价一个光环境的质量好坏 用户的意见和反映很重要 但往往在事先提不出具体的物理指标作为设计依据 为了使人对光环境的主观评价与客观的物理指标有一个对应关系 现讨论评价优良光环境的基本要素 优良光环境的基本要素共有五项 1 适当的照度水平 确定照度水平要综合考虑视觉功效 舒适感与经济 节能等因素 在没有专门规定工作位置的情况下 通常以假想的水平工作面照度作为设计标准 对于站立的工作人员水平面距地0 9m 对于坐着的人是0 75m 或0 8m 任何照明装置获得的照度 在使用过程中都会逐渐降低 这是由于灯的光通量衰减 灯 灯具和房间表面受污染造成的 这时 只有换用新灯 清洗灯具 甚至重新粉刷房间表面 才能大体恢复原来的照度水平 故一般不以初始照度作为设计标准 而采用使用照度 或维持照度制定标准 使用照度 是一个维护周期内照度的平均值 维护照度 是在必须换灯或清洗灯具和房间表面 或者同时进行上述维护工作的时刻所达到的平均照度 因此使用中的照度水平不得低于这个数值 3 宜人的光色 良好的显色性 光源色表的选择取决于光环境所要形成的气氛 比如 照度水平低的 暖 色灯光 低色温 接近日暮黄昏的情调 能在室内创造亲切轻松的气氛 而希望紧张 活跃 精神振奋的进行工作的房间 易于采用 冷 色灯光 高色温 提供较高照度 4 避免眩光干扰 5 正确的投光方向与完美的造型立体感 在工作房间中 工作近邻环境的亮度应当尽可能低于工作区域本身亮度 但最好不低于工作亮度的1 3 而周围视野 顶棚 墙 窗 的平均亮度 应尽可能不低于作业亮度的1 10 灯和白天的窗口亮度 应控制在作业亮度的40倍以内 2 舒适的亮度比 第二章天然采光 利用天然光来为室内创造一个良好的光环境的过程称为天然采光 第一节光气候与采光标准 一 光气候 天然光 照度 及其变化的影响因素称为光气候 它是指由太阳直射光 天空扩散光和地面反射光形成的天然光的自然状况 它是设计天然采光的重要依据 在天然采光的情况下 室内光环境的优劣主要取决于天然光的状况 为此应对天然光的情况有所了解 1 天然光的组成及其影响地面照度的因素 太阳是天然光的唯一光源 射向地球的太阳光可认为是平行 均匀的 地面照度由天空的亮度决定 无云天太阳附近的亮度为天顶亮度的8倍 为最低处 与太阳成90度的地方 亮度的16倍 对全云天的情况 其亮度要比晴天低 但分布较晴天稳定 其天顶亮度约为地平线亮度的3倍 建筑物照度的设计常以全云天为条件 全云天时 地面照度的影响因素主要来自四个方面 1 太阳高度角 白天天空的亮度分布见P204图9 3 太阳高度角越大 太阳光的强度越大 地面照度越大 3 大气透明度 烟尘 沙尘影响 4 地面反射能力 此外 时间 地理位置和季节的变化也是影响室外照度 2 我国的光气候 2 云状与云量 云量和云状不同 其构成成分也不同 因此对光的反射 折射 透射性能有差异 致使地面获得的照度也就不同 光在云层和地面间多次反射会使地面照度增加 特别是雪天 我国地域辽阔 影响地面照度的因素差异很大 为了反映各地日照的差异 绘制了全国年平均总照度分布图 见 206图9 4 天空亮度有晴天与全云天之分 由于我国多采用全云天数据为依据 故下面所说的亮度为全云天的亮度 设天顶亮度为Lz 则天空中离地面 角处的亮度为 这一公式称为斯本塞公式 经验公式 2 地面照度 地面照度依赖于天空亮度 它们之间存在某种数量关系 统计分析表明 全云天的地面照度与高度角为42度处的天空亮度 以阿熙提为单位 相等 1 天空亮度 3 光气候的量化 光气候的量化表示需要涉及数据的计算 常用的数据主要有以下两个 将之与上式结合 可得出地面照度与天顶亮度的关系 二 采光标准 为了给采光设计提供依据 国家颁布了 工业设计采光设计标准 其主要内容包含如下几个方面 1 采光系数C 室内某一点的天然光照度En与同一时刻室外全云天水平面上天然照度Ew的比值称为采光系数 用C表示 即 2 采光系数标准 工种不同 工作性质不同 对照度的要求也不同 为了既满足不同工种对照度的不同要求 又能体现节约的原则 设计标准 将视觉标准分为5级 见p208表9 2 视觉作业场所工作面上的采光系数标准值 类光气候区 识别对象的最小尺寸 采光系数平均值 全天然光照明时 室外临界照度取5000lx 3 光气候区与光气候系数 前面已指出 我国各地光气候相差很大 因此 若采用同一采光系数标准显然不符合实际 为此 设计标准 将全国分为五类光气候区 见P209图9 6 并规定前表仅适用于三类气候区 其它各气候区的采光系数在第三类的基础上乘以权重系数 见p208表9 2 光气候系数K 1 照度的均匀度 室内照度的最低值Ei min与室内照度的平均值Ei的比称为照度均匀度 若视野内照度分布不均匀 则易使人眼疲劳 视功能下降 工作效率降低 因此室内照度要有一定均匀性 在 级视觉工作区照度均匀度要在0 7以上 三 采光质量 2 防止眩光 3 合适的光反射比 4 防止紫外线进入 第二节采光口 为了获得天然光 人们常在建筑物的外围护结构 墙或屋顶 上开设各种洞口 装上各种透明材料做的窗扇 以起采光 通风 保温 隔热 隔声 泄爆等作用 这样的洞口称为采光口 亦称窗口 依据窗口的位置不同 采光窗口分为侧窗 天窗两大类 1 侧窗 安装在墙上 进行侧面采光的窗口称为侧窗 优点 结构简单 开启方便 布置方便 造价低廉 方向明确 利于造型及扩大视野等 缺点 深处照度不足 均匀性较差 易形成眩光 易受遮挡等 类型 由窗台离地的高低 分为普通侧窗 低侧窗及高侧窗 根据窗面的几何形状 分为方形侧窗 竖长方形侧窗 横长方形侧窗 此外 出于造型考虑 还有圆形窗及圆弧窗 侧窗的形状和位置对室内采光均匀性的影响 见p211图9 9 低窗时 近窗处照度较高 往里照度迅速下降 至对面墙角照度最小 窗位提高时 近窗处照度有所下降 往里照度大为提高 且均匀性大大提高 窗间墙对房间横向采光均匀性的影响 窗间墙越宽 横向采光均匀性越差 特别是靠近外墙的地带 窗台高度对房间采光的影响 见p212图9 10 11 天空状况对室内采光的影响 P212图9 13 14 消除眩光的影响 2 天窗 1 矩形天窗 采光口呈矩形的天窗称为矩形天窗 矩形天窗实质上相当于成对的高侧窗 其采光特性与高侧窗相似 其照度分布如P216图9 24 优点 采光效率高 照度均匀性较好 很少受遮挡等 缺点 构造复杂 防尘 防水处理麻烦 开启维护难等 影响矩形天窗照度分布的因素主要有四个方面 a 天窗宽度bmo b 天窗位置的高度hx c 相邻天窗玻璃间距bg d 天窗间距bd 矩形天窗的窗扇通常是垂直的 主要用于精密工作及对通风有一定要求的工业建筑 不过 有时为了增加室内采光 也将窗扇做成斜的 这样的天窗称为梯形天窗 其倾角通常为60度左右 与矩形天窗相比 其优点可以明显提高采光量 缺点是照度均匀度变差 且结构复杂 易积尘 易使阳光直接射入室内 2 锯齿形天窗 3 横向天窗 4 平天窗 5 井式天窗 问题 说明晴天和全云天的天空亮度分布的特点 侧窗 天窗采光各有何优点和缺点 P2449 1 2 3 第三节采光设计 采光设计的目的是使室内获得一个良好的光环境 保证视觉工作的顺利进行 有时还必须同时考虑通风 泄爆 经济等问题 为此必须根据用户的要求综合考虑 以提出最佳的设计方案 包括采光口的最佳形式 尺寸 及位置等 采光设计通常按以下方法及步骤进行 一 收集资料 为了做到有的放矢 心中有数 设计前进行资料收集是非常必要的 这一工作包含如下内容 包括 1 客户 房间 的工作特点及精密度 2 工作区域 3 工作面位置 4 工作对象的表面状况 5 工作中是否允许光线直接进入室内 1 了解客户的采光要求 1 采暖 2 通风 3 泄爆 4 造型 5 经济 3 周围环境 房间周围建筑物 构筑物 山丘 树木的高度以及它们到房间的距离等均会影响房间的采光 窗户的布置及开启 设计前必须对它们有所了解 2 其它要求 许多房间 除了考虑满足光环境外 还必须考虑其他要求 例如 房间采光等级举例 二 确定采光口 采光设计主要体现在采光口上 它对室内光环境的优劣起着决定的作用 采光口的确定主要包含如下内容 1 选择采光口的形式 侧窗优先 天窗补充 2 确定采光口的位置 南北侧墙 3 估算采光口的尺寸 窗地面积比 4 布置采光口 考虑通风 日照 美观 1 选择采光口形式根据房间的朝向 尺度 生产状况 周围环境 结合各种采光口的采光特性来选择适合的采光口形式 在一幢建筑物内可能采取几种不同的采光口形式 以满足不同的要求 2 确定采光口位置及可能开设窗口的面积 1 侧窗 常设在朝向南北的侧墙上 由于建造方便 应尽可能多开侧窗 采光不足部分再用天窗补充 造价低廉 维护使用方便 2 天窗 侧窗采光不足之处可设天窗 根据车间的剖面形式 它与相邻车间的关系 确定天窗的位置及大致尺寸 3 估算采光口尺寸根据车间视觉工作分级和所拟采用的采光口形式及位置 查表 p171 得所需的窗地面积比 值得注意 由窗地比和室内地面面积相乘获得的开窗面积仅是估算值 不能把估算值当作最终确定的开窗面积 当同一车间内既有天窗 又有侧窗时 可先按侧窗查出它的窗地比 再从地面面积求出所需的侧窗面积 然后根据墙面实际开窗的可能来布置侧窗 不足之数再用天窗来补充 窗地面积比 例如 某车间跨度为30m 单跨 屋架下弦高度为6m 采光要求为 级 查表可知双侧窗要求的窗地比为1 3 现按一个6m柱距来计算 要求在两面侧墙上开60m2的侧窗 而工作面至屋架下弦可开侧窗面积仅约为46m2 窗高 窗宽 2 46m2 不足的地面面积约42m2考虑采用天窗来解决 现采用矩形天窗 查表得窗地比为1 3 5 现选用1 5m高的钢窗 可补充15m2天窗面积 在选择窗的尺寸时 应注意尽可能采用标准构件 4 布置采光口估算出需要的采光口面积 确定了窗的高 宽尺寸后 就可进一步确定窗的位置 确定窗的位置不仅考虑采光需要 还应考虑通风 日照 美观等要求 拟出几个方案进行比较 选出最佳方案 以上几个步骤 确定了采光口形式 面积和位置 基本上达到初步设计的要求 由于它的面积是估算的 位置也不一定确定不变 因此 在进行技术设计之后 还应进行采光验算 以便最后确定它是否满足采光标准的各项要求 按照 采光标准 规定 侧窗采光系数的最低值 下面分别简要介绍各系数的意义及求法 1 为侧窗窗洞口采光系数 其值可从p237图9 58查出 三 侧窗采光计算简介 采光计算的目的在于验证所作的设计是否采光标准中规定的各项指标 其方法较多 下面介绍我国 建筑采光设计标准 推荐的方法 其要点是利用图表 按房间的窗地比 查出各相关系数的值来进行计算 图中 B为计算点至侧窗的距离 计算点常选在离内墙1 0m 大房间 或0 5 小 l为房间的长度 b是建筑的跨度 hc为工作面至窗的上沿的高度 图中四条曲线分别代表不同的b l的比值 图中考虑的是B hs小于5的常见进深 若大于5 则侧窗的采光效果甚微 可忽略 3 为侧窗采光的室内反射光的增量系数 其值与反光系数加权平均值 房屋的进深b与窗高hs的比值及是否有内墙等因素有关 可查P238表9 10得到 式中 分别代表顶棚 墙面 地面 及窗口等表面的反光系数 Ai表示相应的表面积 2 窗宽修正系数 实验告知 它是该墙面上的总窗宽与墙总长度l之比 即 4 为侧面采光总透光系数 它是窗的各种透光因素的综合 其值为 式中 为玻璃的透光系数 其值可查表得到 分别为窗结构的透光系数及玻璃污染系数 其值也可查P239表9 11 12得到 5 为侧面采光室外遮挡系数 它是室外