《建筑光环境测量》PPT课件.ppt

1 第七章建筑光环境测量 兰州理工大学土木工程学院建环教研室2012年 2 光的基本性质 波粒二象性 可见光 380 780nm 的性质 光环境 LuminousEnviorn ment LE 光的物理量度参数 V E I L光环境质量的评价标准 适当的照度 舒适的亮度比 宜人的光色 无眩光干扰常用的光环境测量方法及其仪器 照度计 亮度计 LightMeter 的工作机理 使用 学习和掌握的内容 Keys 3 7 1光的性质 光由光源 自身可以发光的物体 如太阳 恒星 灯 燃烧的物质等 有天然和人造之分 发出 可分为自然光和人工光 建筑 光环境 Luminous Lighting Enviornment LE 自然光和人工光在建筑环境中的综合作用效果 建筑光学 研究自然光和人工光在建筑中的合理应用 满足人们工作 生活 审美 保护视力等需求的应用学科 与建筑声学一样 属于建筑物理学的基本组成部分 舒适的光环境标准 1 合适的光照度及其分布 2 合适的光亮度及其分布 3 光色宜人 无眩光干扰 4 自然光的合理利用 节能 光的波粒二象性 光在介质 媒质 中以直线形式 称为光线 传播 光是粒子又称为光子 其速度为30 106m s 光也以电磁波形式 0 nm 向空间传播 或辐射 光能量 所以 光既具有质量也具有能量 Elight mC2 4 光子的波动运动 电磁波的一部分 可见光 380 780nm 人眼对波长不同的可见光 产生不同的颜色感觉 如 700nm 光呈现红色 单色光 包含单一波长的光线 呈现该波长对应的一种颜色 复合光 包含多个波长的光线 呈现复合颜色 如阳光 光源 可以发射光线的物体 可分为 1 自然光源 如太阳 恒星 和人工光源 如各种灯具 2 单色光光源和复合光 或多色光 光源 如只发射波长为583nm的黄色光的钠灯 可发射多个波长的复合光的白炽灯 依照 380 780nm 可将复合光分解为紫 蓝 青 绿 黄 橙 红的七钟单色光 5 7 2光的物理量度参数 辐射度量 它是纯客观的物理量 不考虑人的视觉效果 光度量 综合考虑人的视觉效果的生物物理量 辐射度量与光度量之间有着密切的联系 前者是后者的基础 后者可以由前者导出 常用的光度量参数 有光谱光效率 光通量 照度 发光强度和亮度 6 1 光谱光效率 V V 是描述人们对不同波长的光 所具有不同的视觉效果的参数 它是波长的函数 其最大值为1 发生在人们具有最大视觉效果的波长处 偏离该波长 时 即 或者 V 1 V 接近正态分布 由于每个人的视觉效果会因人而异 即感知相同的光 各人的光谱光效率V 值会不同 导致了光度量方面的困难 所以 必须建立一个统一的标准 国际照明委员会CIE 根据各国对光的研究和测试结果 提出了CIE光度标准观察者的光谱光效率 也称为标准眼睛的光谱光效率 此外 由于人的视觉效果还与环境背景的明亮程度有关 因此 CIE给出了两种光谱光效率 V bright 和V dark 7 第1种是在明亮条件下获得的 称为明视觉光谱光效率 它表明在555nm波长处 黄绿色 视觉效果最高 即最明亮 并且 明亮程度分别向波长短的紫光和波长长的红光方向递减 第2种是在昏暗条件下获得的 称为暗视觉光谱光效率 它表明最高视觉效果发生在507nm波长处 蓝绿光 Note 光谱光效率V 也可以由表格形式给出 见表7 1 在照明工程中主要应用明视觉光谱光效率 通常在未明确说明的情况下 均指明视觉条件 8 2 光通量 LuminousFlux 光通量 在单位时间内 光源以电磁辐射的形式 向外所辐射的光能量多少 也称光辐射功率或光辐射通量 单位 流明 lumen lm NotW 一般而言 光源的辐射通量中可被人眼感觉为光的能量 波长380 780nm 称为光通量 Note 1lm 1cd 1sr 即 对于发光强度为1cd的均匀点光源而言 其在1sr立体角内所发出的光通量多少 9 3 照度 Luminance E 定义 光源照射在受照面单位面积上的光通量数值 即受照面上所接受的光通量的面密度 表示受照面被光照射程度的强弱 单位 勒克斯 Lux lx 相当于1lm的光通量均匀分布在1m2的受照面上 性质 可叠加性 即 几个光源同时照射在同一个受照面时 该受照面的实际照度为单个光源分别存在时 形成照度的代数和 勒克斯是一个较小的照度单位 照度的英制单位是英尺烛光 Foot Candle fc 即 lm的光通量均匀照射在1ft2的受照面上 1fc 1lm ft2 10 76lx 10 不同情况下的照度 11 4 发光强度 LuminousIntensity I 对于点光源而言 其在某一方向的发光强度I定义为该光源在此方向上的单位立体角内 所发出的光通量的大小 单位 坎德拉 candela cd 1cd 1lm sr特点 I与距离r无关 反映了光源在特定方向上的光通量的空间密度大小 Example 1只40W的白炽灯泡可以发射出350lm的光通量 则其平均发光强度思考 对于点光源而言 当它照射某个受照面 所产生的照度E与其在该受照面所在方向上的发光强度I是什么关系 12 光源的发光强度与受照面的照度关系 已知点光源的发光强度I 以及其与受照面的垂直距离r 即可求得垂直于二者连线的受照面的照度 E I r2 900 若点光源与受照面距离为r 夹角为 则实际受照面的照度 En Esin Isin r2 00 900 13 光源所发射的光通量相同 其对应的发光强度却不同 14 5 亮度 Lightness L L 表征发光物体表面明亮程度的物理量 其与发光体在某个方向上的发光强度和投影面积相关 单位 尼特 nt1nt 1cd m2 熙提 stilb sb 1sb 1cd cm2 104nt 物理亮度 发光体沿视线方向上的单位面积上所发出的发光强度I 主观亮度 基于物理亮度 还考虑环境背景亮度的作用因素 人的视网膜只可承受16sb以下的亮度 15 亮度和照度的关系 照了不一定亮 照度相同 吸光材料 亮度低 反光材料 亮度高 16 7 3光环境质量的评价标准 适当的照度水平CIE照度标准我国的照度标准照度均匀度空间照度舒适的亮度比宜人的光色 良好的显色性无眩光干扰 同学课后自学 17 1 适当的照度水平 通过研究 分析 当照度值存在一个合理区间 人们感到满意 当E超越该区间后 就会超过眼睛的适应范围 人眼会感觉很不适 18 我国10岁四年级小学生视疲劳与照度的关系 我国成年人视疲劳和劳动生产率与照度的关系 19 国外资料记录 白炽灯下视疲劳和劳动生产率与照度的关系 国外资料记录 荧光灯下视疲劳和劳动生产率与照度的关系 20 1 国际照明委员会CIE对不同作业和活动推荐的照度 作业或活动类型照度范围 lx 室外入口区域20 30 50短暂停留交通区50 75 100衣帽间 门厅100 150 200讲堂 粗加工200 300 500办公室 控制室300 500 750缝纫 绘图 检验室500 750 1000辨色 精密加工和装配750 1000 1500手工雕刻 精细检验1000 1500 2000手术室 微电子装配 2000 通过分析 随着工作的复杂性和重要性的提升 所需要的照度值也同步增加 21 2 我国的照度标准 22 3 照度均匀度 照度分布应该满足一定的均匀性 视场中各点照度相差悬殊时 瞳孔就经常改变大小以适应环境 引起视觉疲劳 一般认为空间内的照度的最大值Emax 最小值Emin与平均值Eaverage的相差不超过1 6是可以接受的 照度均匀度计算 照度均匀度 工作面的最低照度 工作面最高照度对于人工照明 照度均匀度需大于1 3 对于自然采光 照度均匀度需大于1 10 23 4 空间照度 对于大多数公共建筑 休息区以及生活居室等而言 其照明效果往往基于目视人脸 用人的容貌是否清晰 自然来评价 在这些场所 适当的垂直照明比水平面的照度更为重要 近年来已提出两个表示空间照明水平的物理指标 平均球面照度Esphere ave与平均柱面照度Ecylinder ave 实践证明后者有更大的实用性 24 2 舒适的亮度比 对于人眼而言 其观测物体所获得的视像 视像的舒适程度取决于视像的中心亮度LC与构成周围视野的适应亮度LA的差值多少 即 L LC LA L值适当 则人眼感觉舒适 若 L过大 就会加重眼睛瞬时适应负担 或产生眩光 降低视觉功效 房间主要表面的平均亮度Laverage 其分布均匀与否直接影响人对室内空间的形象感受 因此 无论从可见度还是从舒适感的角度来说 室内主要表面有合理的亮度均匀分布都是完全必要的 它是对工作面照度的重要补充 对于实际中的工作房间 作业近邻环境的亮度应当尽可能低于作业本身亮度 但最好不低于作业亮度的1 3 而周围环境视野 包括顶棚 墙 窗户等 的平均亮度 应尽可能不低于作业本身亮度的1 10 灯和白天的窗户亮度 则应控制在作业作业本身亮度的40倍以内 25 3 宜人的光色 良好的显色性 光源的颜色选择取决于光环境所要形成的气氛 例如 照度水平低的 暖 色灯光 低色温 能在室内创造亲切轻松的气氛 而对于希望紧张 活跃 精神振奋地进行工作的房间 宜于采用照度水平高的 冷 色灯光 高色温 从建筑的功能 或从真实显示装修色彩的艺术效果来说 光源的良好显色性具有重要作用 如印染车间 彩色制版印刷 美术品陈列等要求精确辨色 顾客在商店选择商品 医生察看病人的气色 也都需要真实的显色 26 4 避免眩光干扰 当视野内出现高亮度的光时 使眼睛不能完全发挥机能 这种现象称为眩光 在眩光下 瞳孔会缩小 以提高视野的适应亮度 也就降低了眼睛的视觉敏感度 视力降低眩光 如白天眼睛正视太阳 太阳光直射工作面 夜间眼睛正视迎面而来的汽车灯光 不舒适眩光 一个很大的高亮度光源在接近视线的高度上 虽不会降低视力 但会引起视觉上的不舒适 如看阳光下的积雪等 27 眩光产生的原因 不恰当的自然采光口 不合理的光亮度 不恰当的强光方向 都会在室内造成眩光现象 可能产生眩光的地方玻璃办公桌面局部照明的展板不恰当的工作面照明黄种人眼睛的黑色素较白种人的多 对眩光的忍受力比白种人强 白种人比黄种人的耐暗程度强 28 29 7 4光环境测量常用的仪器 照度计线性度光谱的灵敏度余弦修正亮度计室内光环境的现场测量 30 1 照度计 照度计的基本组成环节 硒光电池 微电流计 其中 硒光电池是把光信号 或者光能 直接转换为电信号 或者电能 的光电元件 1 金属底板 2 硒层 3 分界面 4 金属薄膜 5 集电环测量机理 基于光生伏特 光电 效应 Photovoltaiceffect 当入射光线照射到光电池表面时 其到达硒半导体层和金属薄膜的分界面上 产生光电效应 光子 撞击 出电子 光电动势的大小与光电池受光表面的照度有一定的比例关系 即U E 将光电动势U接入测量电路 就会有光电流i通过 则光电流i的大小就反映了E的大小 31 照度计的分类 1 按光电转换器件 主要有硒 硅光电池和光电管照度计 2 按照度值的显示方式 指示针指示和数字显示 无论何种照度计 均由光电探头 测量电路以及显示仪表等组成 32 为了使照度测量更趋精确 使用照度计有以下要求 线性度照度计的响应是探测器光电流 或电压 的输出值与入射光通量之比 在理想情况下 输出与输入线性相关 在测量范围内 照度计的读数要与投射到光电池的受光面上的光通量成正比 光谱的灵敏度光电池的相对光谱灵敏度与V 曲线的比较 由前述可知 光的计量是以 平均人眼 共有的光谱光 视觉 效率V 特性为基础的 因此 用于物理测光的光电池也必须具有与一致的光谱灵敏度 但是 常用光电池的相对光谱灵敏度与V 曲线都有相当大的偏差 这就造成了在测量光谱能量分布不同的光源的照度时 会出现较大的误差 33 所以 使用照度计时 都要给光电池匹配一个合适的颜色玻璃滤光器 构成颜色校正光电池 使得它的光谱灵敏度与CIEV 曲线的相符程度趋近一致 提升照度测量的精度 余弦修正当光源由倾斜方向照射到光电池表面时 光电流i输出应当符合余弦法则 即 这时的照度应等于光线垂直入射时的法线照度与入射角余弦的乘积 由于光电池表面的镜面反射作用 在入射角较大时 会从光电池表面反射掉一部分光线 致使光电流i小于上面所说的正确数值 为了修正这一误差 通常在光电池上外加一个均匀漫透射材料的余弦校正器 这种光电池组合称为余弦校正光电池 34 2 亮度计 遮筒式亮度计构造 圆筒的内壁是无光泽的黑色饰面 以避免发射光 筒内还设有若干光阑以遮蔽杂散反射光 在圆筒的左端有一个圆形的窗口 面积是A 右端设有光电池C D l 测量机理 光亮度为L的光源 产生的被测光通过圆形窗口 进入测量室 光电池受到照射 若窗口的亮度为L 则窗口的光强I为L A 从而在光电池上产生的照度E为 适合测量发光面积较大 亮度较高的光源目标 若窗口和光源的距离不大 窗口亮度就等于光源被测部分 角所含面积 的亮度 35 透镜式亮度计当被测光源目标较小或距离较远时采用 通常设有光学目视系统 便于测量人员瞄准被测目标 测量时 被测光源所发射的光辐射由物镜接受 并成像于带孔反射板 光辐射在带孔反射板上分成两路 一路经反射镜反射 进入目视系统 另一路通过小孔 积分镜 进入光电池 将亮度信号转换为光电流i 显示出L的数值大小 仪器的视角一般在0 1 2 之间 由光阑调节控制 36 透镜式亮度计 遮筒式亮度计 37 为了使亮度测量更精确 对亮度计有以下要求 光谱响应度在亮度测量中 仪器的光谱响应度分布曲线必须与CIE明视觉光谱光效率曲线V 相一致 对红外辐射的响应亮度计测量的是可见光区发光体的光亮度值 它不应对红外辐射产生响应 然而 实际的亮度计中所用的某些光电探测器件 如硅光电二级管 它在近红外区有较强的响应度 会给测量结果带来误差 需要修正 对紫外辐射的响应亮度计除了不能对红外辐射产生响应以外 也不能对紫外辐射产生响应 而亮度计所用的光电倍增管或硅二级管 在紫外区均有不同程度的响应 应加以控制或修正 为了获得精确的测量结果 要按照有关规定 定期将亮度计等送去计量部门进行检定 校准 38 3 室内光环境的现场测量 1 概述目的检测实际照明效果是否达到预期的设计要求 分析 比较不同光环境的实质 进行设计总结 基于检测结果 确定是否需要对照明设备或系统进行改装和维修 测量内容工作面上各点的照度和采光系数 室内各表面的亮度 如灯具 家具 设备 室内主要表面的反射比 玻璃窗的透射比 灯光和室内表面的颜色 39 Note 1 为了得到正确的测量数据 在测量以前 必须检查仪器是否经过校准 确定其误差范围 建议采用精度为2级以上的照度计和亮度计 允许的误差是 8 2 选择标准的测量条件 对于新建的照明设施 要在开灯100小时以后 再测量其照明效果 因为在这100小时内 灯具的光通量会衰减很快 光输出不够稳定 开始测量以前 灯具也要预开一段时间 使灯具的光输出稳定 然后在开始测量 这样测试结果具有代表性 通常 白炽灯需要5分钟 荧光灯需要15分钟 HID灯需要30分钟 测量时 还需要监视并记录照明电源的电压变化情况 40 3 说明测量结果的实测调查报告中 既要列出详实的测量数据 也要将测量时的各项实际情况记录下来 测量和记录的内容如下 1 记录灯管 灯具 包括镇流器 的类型 功率和数量 2 记录灯管和灯具的使用龄期 3 在房间的平 剖面图 需注明灯具或窗户的位置 4 测量所使用的电源电压 频率 5 测量室内主要表面的颜色和反射比 6 测量天气状况和窗玻璃的透射比 7 记录最近一次维修 擦洗照明设备的日期 灯和灯具的损坏与污染状况 8 记录所使用的测量仪器的型号和编号 9 记录测定日期 起止时间 测定人 纪录人 41 2 室内照度的测量 所使用的 照度计精度又称为精确度 有一级精度和二级精度 一级精度允许的误差为 4 二级精度允许的误差是 8 使用照度计测量所引起的读数误差在使用数字式照度计进行照度测量时 经常会遇到数字不停变化的情况 且变化幅度可达1 6 2 0 让操作人员无法准确读取测量数据 处理方法 选择内设电子补偿线路的照度计 或者向厂家技术咨询 要求提供外设的电子补偿线路 用于补偿照度计的响应值 42 室内照度测量在进行工作的房间内 应该在每个工作地点 例如 书桌上 工作台上进行多个点的照度测量 然后加以平均 对于没有确定工作地点的空房间或非工作房间 若是一般照明 通常选0 8m高的水平面作为照度测量面 将测量区域划分成面积大小相等的若干个方格 测量每个方格中心的照度 则平均照度等于各点照度的算术平均值 即 小房间每个方格的边长为1m 大房间可取2 4m 走道 楼梯等狭长的交通地段 沿长度方向中心线布置多个测点 间距1 2m 测量平面为地平面或地面以上150mm的水平面 43 测点数目越多 得到的平均照度值越精确 不过也要花费更多的时间和精力 若Eav的允许测量误差为10 可以用根据室形指数 选择最少测点的办法来减少工作量 室形指数与测点数的关系 式中 L W为房间的长和宽 hr为灯具至测量平面的高度 若室内的灯具数与表给出的测点数恰好相等 必须增加测点 44 室内亮度测量光环境的亮度测量应该是在实际工作条件下进行的 选一个工作地点作为测量位置 从这个位置测量各表面的亮度 将得到数据直接标注在从同一个位置 同一个角度拍摄的室内照片上或以测量位置为观测点的透视图上 光环境亮度测量数据的表示方法 45 亮度计的放置高度 以观察者的眼睛高度为准 通常站立时为1 5m 坐下时为1 2m 需要测量亮度的表面是人眼经常注视 并且对室内亮度分布图式和人的视觉影响大的表面 这些表面主要是 视觉作业对象 贴临作业的背景 如桌面 视野内的环境 从不同角度看顶棚 墙面 地面 观察者面对的垂直面 例如在眼睛高度的墙面 从不同角度看灯具 中午和夜间的窗户 测量窗子的亮度时 应对透射过窗子看到的天空和室外景物分别进行测量 估算出他们所占的相应的面积 46 采光系数 En Ew 的测量测量采光系数需要两个照度计 一个测量室内照度 另一个测量室外照度 测量需注意的事项 1 最好是在一天中 室外照度相对稳定的时间 上午十时至下午二时之间进行测量 以减少因室内外两个读数时差所造成的采光系数的测量误差 2 若使用采光系数计进行测量 则可消除这一误差 这种仪器有两个光电池接入 一个放在室内测点位置 另一个放在室外 仪器内装有除法器 可以随时计算两个光电池产生的光电流比值 直接显示出采光系数 3 采光系数的测量最好是在全阴天进行 测室外照度的光电池应该平放在周围无遮拦的空旷地段或屋顶上 离开遮拦物的距离至少有光电池平面以上遮挡物高度的6倍远 47 4 如果要在晴天时测量采光系数 必须用一个无光泽的黑色圆板或圆球 遮住照射到室外和室内光电池上的日光 它距离光电池约500mm 直径以形成的日影刚好遮住光电池受光面为宜 在测量过程中 要及时移动遮光器的位置 避免有任何日光直射到光电池上 5 采光系数测量的测点 通常在建筑物典型剖面和0 8m高的水平工作面的交线上选定 间距一般是2m 4m 小房间间距取0 5m 1 0m 典型剖面是指房间中部通过窗中心和通过窗间墙的剖面 也可以选择其他有代表性的剖面 测量室外的照度时 周围遮挡物高度的限制 48 反射比与投射比的测量某表面的亮度 取决于落于其上的光通量与该表面所能反射光线的能力 其反射的光的多少与分布形式则取决于该材料表面的性质 以反射光与入射光的比值来表示 这个比值称为该材料表面的反射比或反射率 Reflectanceorreflectionfactor 完美的黑色表面的反射比为0 亦即无论多少光落于其上皆无亮度产生而全被吸收 反射率0 吸收率100 反之 完美白色表面的反射比为1 反射率100 吸收率0 现场测光时 若没有便携式的反射比仪和透射比仪 可以用照度计和亮度计来测量不同表面的反射比和窗玻璃透射比 方法如下 49 1 选择一块适当的测量表面 不受直射光影响的漫反射面 将光电池紧贴在被测表面的一点上 受光面朝外 测出入射表面照度Ei Incidentlight 然后 将光电池翻转180 面向被测点 与被测面保持平行地渐渐移开 这时 照度计读数逐渐上升 当光电池离开被测面相当距离 约400mm 感光部分朝该表面且确定无阴影遮挡 时 照度趋于稳定 再远则照度开始下降 记下这时其所反射的照度 Reflectedlight 反射照度与表面照度之比即为该材料表面的反射比 即 2 照度计的光电池面向被测表面上一点 距离保持400mm左右 测得照度Er 将已知反射比 0的样卡一张 均匀漫反射材料 面积 300 300mm 盖在被测点上 测得照度为E0 则 50 3 方法步骤同2 但用亮度计进行测量 4 选择天空扩散光照射的窗户 如北向的窗 先将光电池置于窗玻璃外侧一点 面向天空 贴紧玻璃 测得入射光照度 再将光电池移入窗内 贴紧窗玻璃内侧的同一点 面向窗外 得投