08第八章第34节 天然采光与人工照明

第三节 天然采光 良好的光照条件下 人眼才能进行有效的视觉工作 天然光 室内人员与室外有良好的沟通人工光 能耗多无窗易达到洁净标准 且可节约空调能耗不能提供愉快而舒适的工作环境 无法满足人对日光 景观以及与外界环境接触的需要 窗户再小 也比没窗户好 采光设计应当从两方面进行评价 是否节能 是否改善了建筑内部环境的质量 有无采光窗的心理影响 天然光与人工光的视觉效果 在相同照度条件下 天然光的视觉工作能力高于人工光大约4 10 左右天然光视觉效果优于人工光 人眼对天然光比较习惯和适应 天然光的光质好 形成的照明质量高 天然采光效果 人工照明效果 概述 天然光源的特点天然光源天然光的光谱能量分布特征天然采光设计原理天然光环境的评价方法 采光系数和采光系数标准我国的光气候特点与光气候分区不同采光口的特征及其对室内光环境的影响天然采光设计计算简介 第四节 天然光的组成和影响因素 天然光的组成太阳直射光 有方向性 形成阴影天空扩散光 无方向性 不形成阴影地面反射光 使地面的照度和天空的亮度有所增加 但对室内光环境影响小 可忽略 分类晴天 天然光由直射光和扩散光两部分组成 全云天 则只有天空扩散光 没有直射光 其他多种天气 影响因素直射光和扩散光的比例 取决于大气透明度和云量 晴天下的光照 云量 30 以下的天气称为晴天 0 3 地面照度由直射光和天空扩散光组成 直射光随着太阳高度角的增加而迅速增加 天空扩散光仅太阳高度角较小时变化快 直射光形成的照度占总照度的比例随太阳高度角的增加而加大 阴影也随之明显 下页 光照特点照度一天变化很大 建筑物朝向对采光影响很大 太阳照射处的照度比阴影部分大许多 晴天室外照度变化情况 总照度 直射光照度 扩散光照度 时间 05 0006 0007 0008 0009 0010 0011 0012 0013 0014 0015 0016 0017 0018 0019 00 1086420 E 104lx 全云天 天空全部被云层所遮盖的天气称全云天或全阴天 云量 8 10 室外天然光全部为天空扩散光 物体背后没有阴影 天空亮度分布比较均匀且相对稳定 采光设计中提到的天然光源指全阴天空影响地面照度的因素太阳高度角云状地面反射力大气透明度 天然光和人工光的光谱能量分布特征 天然光光谱连续且只有一个峰值 太阳的全光谱辐射是人们在生理上和心理上长期感到舒适满意的关键因素 光谱能量分布较宽 照明质量较好 不易疲劳 人工光人工光不可能与天然光完全一致 光谱能量分布较相对窄 照明质量较差 易于疲劳 视觉疲劳的原因 光谱成分不佳引起视觉疲劳是由于有明显的色差的缘故 天然光 黄色光的焦点正好落在蓝光和红光的焦点之间 在视网膜上形成了平衡状态 不易视觉疲劳 人工光 峰值光谱对应颜色的焦点与白光对应的相差很远 眼睛的聚焦位置需调节 易产生视觉疲劳 希望光谱能量分布较宽的光源照明 采光系数 指全阴天条件下 室内的测量点直接或间接接受天空扩散光所形成的水平照度En与室外同一时间不受遮挡的该天空半球的扩散光在水平面上产生的照度Ew的比值 仅与窗户的相对位置 窗户的尺寸 测量点有关 和天空扩散光照度没关 采光系数标准 采光系数标准值是根据视觉工作的难度和室外的有效照度确定的室外有效照度也叫临界照度 相当于可利用天然采光的室外照度值下限由于侧面采光房间的照度随离开窗户的距离下降很快 分布很不均匀 所以采光系数标准值采用室内最低值Cmin 顶部采光的室内照度相当均匀 取室内平均值Cav 视觉作业场所工作面上的采光系数标准值 光气候 光气候是指当地的室外照度状况以及影响其变化的气象因素的总和 光气候分区 影响室外地面照度的气象因素主要有太阳高度角 云 日照率等 太阳高度角 南北方相差很大 日照率 由北 西北往东南方向逐渐减少 以四川盆地一带为最低 云量 自北向南逐渐增多 四川盆地最多 云状 南方以低云为主 向北逐渐以高 中云为主 南方扩散光照度较大 北方以太阳直射光为主 南北方室外平均照度差异较大在采光设计标准中 将全国划分为五个光气候区 中国光气候分区与光气候系数 K 0 85 K 1 0 室外总照度年平均值31 46lxK 0 9 室外总照度年平均值21 18lxK 1 2 K 1 1 V V I II III III III IV IV 采光口 为了获得天然光 在建筑外围护结构上设计各种形式的洞口 并在其外装上透明材料 如玻璃或有机玻璃等 这些透明的孔洞统称为采光口 采光口的功能引进天然光 沟通室内外的视线联系 控制自然通风按位置分类侧窗 最常见的采光口形式 侧墙上 不受楼层限制 但照射范围有限 天窗 设置在屋顶上 在开窗形式 面积 位置等方面受到的限制较少 容易控制室内照度 侧窗 特点 光线有强烈的方向性 形成阴影 立体感强 视野宽阔 满足了建筑通透感的要求 照度沿房间进深下降很快 分布很不均匀 普通侧窗 窗台的高度通常为1m左右 高侧窗 窗台的高度2m以上 可提高房间深处的照度 在高大车间 厂房和展览馆建筑中 高侧窗是一种常见的采光口形式 侧窗采光用于有外墙的房间 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 一般用于大型工业厂房和大厅房间 房间面积大 侧窗采光不能满足视觉要求 需顶部采光来补充 天窗与侧窗相比 特点 a 采光效率较高 约为侧窗的8倍 b 具有较好的照度均匀性 c 一般很少受到室外遮挡 按使用要求分为 矩形天窗 锯齿形天窗 平天窗 横向天窗和井式天窗 天窗采光 用于内区 中庭 顶层 上海图书馆中庭 休闲式中庭建筑 宾馆中庭外观 中庭天棚 预浇梁 矩形天窗锯齿形天窗 各种形式的侧窗形成的光线分布 影响侧窗采光的因素 面积长宽比上沿 下沿的位置有无间墙布置透光材料的材质 就室内采光量而言 在采光口面积相等 且窗底边标高相同时 正方形窗口采光量最高 竖长方形次之 横长方形最少 从照度均匀性来看竖长方形在房间进深方向均匀性好 横长方形在房间宽度方向较均匀 而方形居中 影响房间进深方向的采光均匀性 最主要是窗位置高低 影响房间横向采光均匀性 主要是窗间墙 侧窗上沿或下沿的标高对照度的影响 窗台高度变高时 室内深处的照度变化不大 近窗处的照度变化很大 而且出现拐点 窗台高度不变 窗的上沿高度降低时的室内照度均下降 面积相同侧窗不同位置对照度的影响 影响房间进深方向的采光均匀性 最主要是窗位置高低 高窗形成的室内照度分布均匀 近窗处比较低 远窗处相对较高 不同类型玻璃的采光效果 通过采用乳白色玻璃 玻璃砖等扩散透光材料 可以在一定程度上提高房间深处的照度 不同建筑对采光口形式的要求 采光口在为室内提供天然光照度的同时 一般情况下也兼做通风口 同时又是保温隔热的薄弱环节 对于有爆炸危险的房间还可做为泄爆口 故在选择采光口时必须针对具体房间 结合其用途综合考虑 1 不允许阳光直射的房间2 有通风要求的房间3 有保温隔热要求的房间4 有爆炸危险的房间 不允许阳光直射的房间 直射阳光进入室内 引起眩光 造成房间过热 导致室内温湿度波动过大 机械加工车间 零件表面光滑 易造成一次反射眩光 侧窗和矩形天窗的朝向 最好是南北朝向锯齿形天窗 应朝北布置平天窗 需采取其他措施弥补纺织车间 室内空气湿度波动影响产品质量应选择锯齿形天窗为采光口 有通风要求的房间 各种采光口的通风效果不同 矩形天窗最好 平天窗不能兼做通风口在选择采光口时必须考虑房间对通风的要求展览馆 则以采光为主 通风次之可选高侧窗或平天窗对于有大量余热或有害气体产生的车间矩形天窗最佳 有利于组织通风对于有烟气污染的车间 通风口和采光口分开一定距离设置 有保温隔热要求的房间 窗户热阻小 是冬季保温和夏季防热的薄弱点 开窗面积直接影响到采暖和空调能耗 并引起室内热环境的波动 就严寒地区的北窗和炎热地区的西窗而言 就采光与保温隔热相比较 后者是主要矛盾 开窗面积大虽节约了照明能耗 但造成了几倍于照明能耗的采暖空调能耗 有爆炸危险的房间 粉尘多的铝 银粉加工车间 储藏易燃 易爆物的仓库等均存在爆炸危险 这时窗户还承担泄爆功能 为减低爆炸压力 保存承重结构 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 在面积上泄爆要求往往超过采光要求 从而引起眩光和过热 需注意处理 天然采光设计计算简介 采光计算方法 流明法 采光系数法 光通量传输法等 也可分为集总参数计算法 分布参数计算法室内天然光来源 天空扩散光 室外反射光和室内反射光采光系数的天空分量C d 天空光照射照度与天空半球在室外无遮挡水平面上产生的照度之比 是采光系数的主体室外反射分量Cout ref 室外反射面得到的天然光照度与室外之比 忽略 或记10 室内采光系数最低值K 窗户的总透光系数K 室内反射光增量系数K 室外遮挡物挡光折减系数Kc 窗宽修正系数 第四节 人工照明 人工照明的目的是按照人的生理 心理和社会的需求 创造一个人为的光环境 工作照明 或功能性照明 具有实用性目的着眼于满足人们生理上 生活上和工作上的实际需要 装饰照明 或艺术性照明 具有艺术性目的满足人们心理 精神上和社会上的观赏需要 主要内容 人工光源热辐射光源气体放电光源半导体光源灯具 照明方式一般照明分区一般照明局部照明混合照明照明计算 学校建筑照明 人工光源 人工光源按其发光机理可分为 热辐射光源靠通电加热钨丝 使其处于炽热状态而发光普通白炽灯卤钨灯气体放电光源靠放电产生的气体离子发光半导体光源 不同电光源性能比较 不同光源的光效 表面温度 普通白炽灯 白炽灯是一种利用电流通过细钨丝所产生的高温而发光的热辐射光源 缺点 光谱连续 显色性好 但发出的可见光以长波辐射为主 其光色偏红 白炽灯不适用于需要仔细分辨颜色的场所灯丝亮度很高 易形成眩光 光效不高 12 20lm W 97 以上的电能转为热 人工光源发出的光通量与它消耗的电功率之比称该光源的发光效率 简称光效 单位为lm W 是表示人工光源节能性的指标 优点 光谱连续 显色性好无频闪现象 适用于不允许有频闪现象的场合 有效寿命1000h左右 灯丝小 高度的集光性 便于光的再分配 良好的调光性 适应于开关频繁的场所 体积小 构造简单 价格便宜 使用方便等 仍是一种广泛使用的光源 卤钨灯 普通白炽灯 其灯丝在高温下会造成钨的气化 气化后的钨粒子附着在灯的外玻璃壳内表面 使之透光率下降 卤钨灯是将卤族元素 碘 溴等充入灯泡内发生卤钨循环 相比普通白炽灯的优点 光效高 到20lm W以上 寿命延长到1500h左右 卤钨循环作用消除了灯泡的黑化 延缓了灯丝的蒸发 卤钨灯要比普通白炽灯体积小得多 卤钨循环必须在高温下进行 要求灯泡内保持高温 碘钨灯呈管状 使用时灯管必须水平放置 以免卤素在一端积聚 气体放电光源 荧光灯荧光高压汞灯金属卤化物灯高压钠灯低压钠灯紧凑型荧光灯 荧光灯 直管型荧光灯发光机理 灯管的两端各有一个密封的电极 管内充有低压汞蒸气和少量帮助启燃的氮气 灯管内壁涂有一层荧光粉 当灯管两极加上电压后 由于气体放电产生紫外线 紫外线激发荧光粉发出可见光 荧光粉的成分决定荧光灯的光效和颜色 荧光灯是一种低压汞放电灯分类 直管型荧光灯 U 型 环型荧光灯 反射型荧光灯等 荧光灯与白炽灯相比较的优点 光色好且品种多 根据荧光粉成分 产生不同的光色和品种 可制成接近天然光光色 显色性良好的荧光灯荧光灯的光效高 一般可达60lm W 有的甚至达100lm W以上寿命长 一般为2000 8000h 有的已达10000h以上表面亮度低 荧光灯发光面积比白炽灯大 故管壁负荷小 表面亮度低 光线柔和 可避免强烈的眩光 灯管表面温度低 荧光灯与白炽灯相比较的缺点 有频闪现象 荧光灯与所有气体放电光源一样 其光通量随着交流电压的变化而产生周期性的强弱变化 使人眼观察旋转物体时产生不转动或倒转或慢速旋转的错觉 这种现象称频闪现象 在视看对象为高速旋转体的场合不能使用 广泛用于办公室 教室 商店 医院和部分工业厂房 荧光高压汞灯 发光原理 与荧光灯相同得名 因内管中汞蒸气的压力为0 1 0 5MPa而得名构造 灯泡壳有两种 分透明泡壳和涂荧光粉层 特点 光效高 可达50lm W 寿命长 可达5000h 显色性差 增加绿 蓝色调 使人不能正确辨色适用场所 街道 施工现场和不需辨色大面积照明场所 金属卤化物灯 其构造和发光原理与荧光高压汞灯相似 区别 灯的内管充有溴化钠等金属卤化物 汞蒸气 惰性气体等 外壳和内管之间充氮气或惰性气体 外壳不涂荧光粉 由电子激发金属原子 直接发出与天然光相近的可见光 金属卤化物灯与汞灯相比 光效高 可达80lm W以上 显色性有很大改进 寿命较短 一般不超过1000h 单灯功率大适用于高大厂房和室外运动照明 大功率双端金属卤化物灯系列 高压钠灯 灯管中含99 的多晶氧化铝半透明材料 有很好的抗钠腐蚀能力 管内充钠 汞蒸气和氙气氙气的作用是起弧 汞蒸气起缓冲剂和增加放电电抗的作用 钠蒸气发出可见光 随着钠蒸气气压的增高 单色谱线辐射能减小 谱带变宽 光色改善 特点 光效最高 寿命最长 透雾能力很强 有很好的抗钠腐蚀能力 应用场所 街道照明 高大厂房 低压钠灯 低压钠灯是钠原子在激发状态下发出589 0nm和589 6nm的单色可见光 故不用荧光粉 光效最高 可达300lm W 市售产品大约为140lm W 显色性差 在它照射下物体无色感透雾性很强 单色光接近人眼最敏感的555 0nm的黄绿光使用场所 不能用于区别颜色的场所 常用于灯塔的指示灯和航道 机场跑道的照明 以获得高能见度和节能效果 低压钠灯路灯 紧凑型荧光灯 节能灯 光效与显色性之间是相互矛盾的除了金属卤化物灯光效与显色性均好以外 其他灯的高光效是以牺牲显色性为代价的 光效高的灯往往单灯功率大光通量大 使它们无法在小空间使用 节能灯功率小 光效高 显色性较好的新光源 节能灯 节能灯 体积小 和100W普通白炽灯相近 Ra 63 85 色温 2700 6400K 单灯光通量425 1200lm 采用稀土三基色荧光粉和电子镇流器 比用卤素荧光粉和电磁式镇流器的普通荧光灯光效高 可达70lm W 灯头也做成白炽灯那样 附件安装在灯内 可直接替换白炽灯 适合于低 小空间的照明 半导体光源 半导体发光体 发光二极管 LED可直接将电能转化为光能 电信号转换成光信号的发光器件 电致发光的半导体材料 环氧树脂 大功率LED 300 成熟 光效最高 应用 传统的LED主要用于信号显示领域 如建筑物航空障碍灯 航标灯 汽车信号灯 仪表背光照明 由于蓝光和白光LED及大功率LED研制成功 广泛应用于照明中特点 抗振动 绿色环保 不含汞 寿命长 发热量低等但显色性差 价格高 灯具 灯具是光源 灯罩及其附件的总称 分为装饰灯具和功能灯具两种 功能灯具 指满足高效 低眩光要求而采用控光设计的灯罩 以保证把光源的光通量集中到需要的地方 灯具效率 在规定条件下测得的灯具发射的光通量与光源发出的光通量之比 1 与灯罩开口大小 灯罩材料的工学性能有关 灯具类型 直接型 光源直接向下 反射好的不透光材料扩散型 室内照度均匀 扩散透光材料间接型 光投射到顶棚 不透光材料 灯具与空调系统的结合 在空调系统中 将照明与回风功能相结合的灯具称空调照明器 主要有压力通风和管道通风 利用龙骨的间隙送风 通过灯具回风 回风系统带走了灯具产生的大部分热量 减小了空调设备的能耗 使荧光灯处于最佳工作状态 28 提高光效 节约能量 照明与空调系统的结合示意图 不同照明方式及照度分布 按其灯具的布置方式可分 a 一般照明 b 分区一般照明 c 局部照明 d 混合照明 一般照明 在工作场所内不考虑特殊的局部需要 以照亮整个工作面为目的的照明方式称一般照明特点 灯具均匀分布 工作面形成均匀的照度适合场所 视看对象频繁变换的场所 对光的投射方向没有特殊要求 或没有特别需要提高视度的工作点 或工作点密集的场合 局限性 照度要求高或房间高度较大时 导致投资和使用费太高 分区一般照明 由于同一房间内使用功能不同 而造成的所需照度值不相同 需首先对房间进行分区 再对每一分区做一般照明 这种照明方式称分区一般照明 可满足各区域的功能需求 还可节能 例如 大型厂房内 会有工作区与交通区的照度差别 不同工段间也有照度差异 开敞式办公室内 有办公区和休息区之别 局部照明 为实现某指定点的高照度要求 在较小范围或有限空间内 采用距离视看对象近的灯具来满足该点照明要求的照明方式称局部照明车间内的车床灯 商店里的点射灯以及工作面上的台灯等优点 可少耗费电能获得较高的照度局限性 灯具具有较大保护角 照射范围非常有限大空间单独使用局部照明时 造成工作面与环境间的亮度对比过大 易引起视觉疲劳 混合照明 工作面上的照度由一般照明和局部照明合成的照明方式称混合照明 一种分工合理的 最经济的照明方式为使亮度比不致过大 获得较好视觉舒适性 一般照明提供的照度占总照度的比例不能太小 60 为宜适合场所 要求高照度或要求有一定的投光方向 或工作面上的固定工作点分布稀疏的场所 照明计算 1 设计要求 照明方式 光源和灯具 照度 通过照明计算可求出灯具数量和光源功率 2 在已知照明情况的条件下 验证所做的照明设计是否符合照度标准要求 照明计算包括亮度 眩光 显色指数 经济与节能分析等 利用系数法考虑了直射光和反射光所产生的照度 计算结果为水平面上的平均照度 该法适用于灯具均匀布置的一般照明和利用墙和顶棚作反光面的场合 将工作面上得到的光通量称为有效光通 u有效光通 u越大 光源发出的光通量中得到利用的就越多 定义有效光通 u与室内所有光源发出的总光通量N 的比值为利用系数Cu 即 每盏灯具内光源的光通量 lm N 灯具的数量 若已知灯具的利用系数和光源的光通量 工作面上的平均照度 为达到某一照度 所需要安装的光源功率 考虑灯具或设施会因受到污染而使照度下降 引入维护系数K 则 例题 某教室尺寸为11 2m 6 6m 3 3m 顶棚反射比为0 7 墙 含窗户 的平均反射比为0 5 试求出照明所需的光源数量和功率 并绘出灯具布置图 解 教室的人工光环境要求能使学生看得清楚 舒适 并保证学生长时间学习及生理心理健康的需要 1 确定照度标准值 从 民用建筑照明设计标准 可查得 教室桌面上的平均照度应 150lx 照度均匀度 0 7 教室黑板应有局部照明 其平均照度不低于200lx 照度均匀度不低于0 7 现以150lx作为教室一般照明的照度标准值 2 选择光源和灯具 根据教室的工作特性和各种光源的光特性 现选用40W日光色荧光灯 灯具选用效率高 具有一定保护角 光幕反射较少的双管荧光灯 灯具内光源发出的总光通量 4000lm 3 通过照明计算求所需的灯具数量 将灯具吸顶布置 课桌高0 8m 根据室内反光情况 由民用建筑照明设计标准查得Cu 0 66 K 0 8 4 求需要的灯具数量 从式 6 14 可得盏5 灯具布置 为保证工作面照度均匀 并考虑到靠黑板处没有课桌 灯具布置如图6 11所示 照明标准建议将灯管长轴垂直于黑板布置 即纵向布置 这样引起眩光较小 而且光线方向与窗口一致 避免产生手的阴影 按图布置的距高比基本符合要求 为加强黑板的照明 用两盏灯放在黑板前 并向黑板倾斜 以便使黑板照度均匀 如有可能 采用专门的黑板照明灯 效果更佳 学校建筑照明1 采光口的设置 一般教室以单侧窗为好 学生书桌应和采光口垂直 而且使光线自学生左侧方投来 黑板所在的墙上不宜开窗 侧窗也不宜开在学生背后的墙上 窗间墙不宜太宽 否则在窗间墙处的座位光线太暗 当窗间墙必须较宽时 应该将采光口做成内八字形 教室宜为南北向 南向教室虽较好 但冬季阳光直射在书桌上 学生看书时视力会有影响 容易引起疲倦 应挂上浅色的窗帘 学校建筑照明2 教室照明 灯光布置的方向和黑板垂直 这样可使室内照度分布比较均匀 而且可以避免光幕反射 阶梯教室常用荧光灯照明 由于后排的学生座位较高 向前观看时 顶上的光