照明设计课件

一 课程性质 电气工程与自动化专业的专业 特色 课 介绍照明工程的基本知识 计算和设计方法 学生具有进行工程设计 施工和管理能力 照明 灯光 各种灯具灯具光源颜色 白色 黄色功能性照明 基本亮度基本照明 重点照明 智能照明装饰性照明 艺术照明 二 照明的发展与现状 贵宾室 三个阶段 1 传统照明目的 以照明为主特点 采用单一种类的电光源 照明质量较差电光源种类 白炽灯 荧光灯 高强度气体放电灯2 混光照明目的 以节能 提高照明质量为主特点 用两种及以上种类的光源 照明质量高且节能电光源种类 以高强度气体放电灯和白炽灯的混合照明为主3 绿色照明目的 以节能 保护环境 提高照明质量为主特点 效率高 寿命长 安全和性能稳定的照明电器充分利用天然光 三 课程基本内容1 基础知识 光 视觉 颜色等基本概念 电光源 灯具 照明方式和照明种类及照明质量2 基本计算 照度计算 电气计算3 照明设计 照明光照设计的基本原则 照明电气设计的基本原则 四 课程基本要求1 掌握电气照明的基本理论及知识2 熟练地进行电气照明的基本计算3 了解照明设计原则熟悉国家设计标准及设计规范掌握民用建筑电气照明的一般设计方法4 熟悉电气照明工程的一些施工知识 提高工程意识 主要参考书 1 北京照明学会编 照明设计手册 北京 中国电力出版社 1998 2 中国建筑科学研究院等编 绿色照明工程实施手册 北京 中国建筑工业出版社 2003 3 中华人民共和国建设部编 建筑照明设计标准GB50034 2004 北京 中国建筑工业出版社 2004 4 中国建筑东北设计研究院编 民用建筑电气设计规范JGJ T16 92 北京 中国计划出版社 第一章照明技术的基本知识第一节光 一 光和光谱1 光的概念 光是能量的一种存在形式 光的本质是一种电磁波 电磁辐射 光可以通过电磁辐射方式从一个物体传播到另一个物体 照明工程 光是指能产生视觉的辐射能 电气照明技术的实质主要是光的控制与分配技术 可见光 在电磁波谱中 波长为380 780nm的电磁波 作用于人的视觉器官能产生视觉 这部分电磁波叫可见光 可见光按波长依次排列可以得到可见光谱 单色光 只含有一种波长成分的可见光 复合光 含有多种波长成分的可见光 光的颜色 不同波长的可见光 在视觉上会形成不同的颜色 单色光的色 取决于波长成分 复合光的色 取决于各波长的辐射通量的分布 3 光谱光效率 同一波长的光 在环境适应亮度明暗不同的情况下 人眼对其敏感性是有差别的 与光通量的大小有关 还与光的波长有关 不同波长的可见光 尽管辐射的能量一样 但人看起来其明暗程度会有所不同 这说明人眼对不同波长的可见光有不同的主观感觉量 即人眼对各种波长的光具有不同的灵敏度 通常用光谱光效率或光谱光效能来表示人眼的视觉灵敏度 是评价人的视觉灵敏度的 国际照明委员会 CIE 规定了一个标准光度观察者 先后提出了在明视觉条件下 获得的明视觉光谱光效率值 在暗视觉条件下 获得的暗视觉光谱光效率值 明视觉光谱光效率曲线的最大值与太阳散射光能量分布曲线的最大值相近 这是人类眼睛在长期进化过程中最好地适应与感受太阳散射光刺激的结果 在照明工程中 主要应用明视觉光谱光效率 实验证明 在明视觉情况下 正常人眼对于波长为555nm的黄绿色光最敏感 就是这种波长的辐射引起人眼最大的视觉 而在暗视觉条件下 正常人眼对于波长为507nm的绿光最敏感 二 常用的光度量1 光通量定义 根据人眼对光的感觉来评价光源在单位时间内光辐射能量的大小单位 流明 lm 点光源或非点光源在单位时间内所发出的能量 其中可产生视觉者 人能感觉出来的辐射通量 即称为光通量 是人体的主观感觉量 不等于光源的全部辐射能量 例如 一只200W的白炽灯泡比一只100W的白炽灯泡看上去要亮得多 所谓 量得多 就是发出光的量要多 光通量是说明光源发光能力的基本量 例如 一只220V 40W的白炽灯泡其光通量为350lm 而一只220V 36W 6200K的T8荧光灯的光通量约为2500lm 这说明荧光灯的发光能力比白炽灯强 2 发光强度 光强 定义 发光体在给定方向的发光强度是该发光体在该方向的立体角元d 内传输的光通量d 与该立体角元之比 即单位立体角的光通量 单位 烛光 cd坎德拉 发光强度是用来描述光源发出的光通量在空间给定方向上的分布情况 当光源发出的光通量一定时 光强的大小只与光源的光通量在空间的分布密度有关 国际标准烛光 lcd 的定义为理想黑体在铂凝固点温度 1769 时 垂直于黑体 其表面积为1m2 方向上的60万分之一的光度 所谓理想黑体是指物体的放射率等于1 物体所吸收的能量可以全部放射出去 使温度一直保持均匀固定 国际标准烛光 candela 与旧标准烛光 candle 的互换关系为1candela 0 981candle 例如 桌上有一盏220V40W白炽灯 其发出的光通量为350lm 该裸灯泡的平均光强为350 4 28cd 若在该灯泡上面装上一盏不透光的平盘型灯罩之后 桌面看上去要亮得多 灯泡发出的光通量并没有变化 但加了灯罩后 光通量经灯罩反射后更为集中地分布在灯的下方 向下的光通量增加了 相应的光强提高了 亮度也就增加了 3 照度 是照明工程最重要的物理量定义 被照物体表面上单位面积所接收到的光通量单位 勒克斯 lx 当光源的光通量投射到物体表面时 即可把物体表面照亮 对被照物体而言 常用照度来衡量落在它表面上的光通量的多少 照度是描述被照面被照射的程度的光度量 能否看清一个物体 与这个物体单位面积所得到的光通量有关 在当前的照明工程设计中 一直将照度值作为考察照明效果的量化指标 1 在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx 加搪瓷伞形白色灯罩后可增加为70lx 2 满月晴空的月光下为0 2lx 3 晴朗的白天室内为100 500lx一般情况下 1lx的照度仅能辨别物体的轮廓 照度为5 10lx时 看一般书籍比较困难 短时阅读的照度不应低于50lx 4 亮度定义 单位投影面积上的发光强度 是描述发光面或反光面上光的明亮程度的光度量 亮度与被视物体的发光强度或反光强度有关 还与发光面或反光面的面积有关 例如 在同一照度下 并排放着的白色和黑色物体 因物体表面对光的反射程度不同 人眼看起来的视觉效果也不同 总觉得白色物体要亮得多 而对两个发光强度完全相同的物体来说 例如 功率相同的一个普通白炽灯泡和一个磨砂玻璃灯泡 它们在视觉上引起的明亮程度也不同 后者看起来不及前者亮 这是因为磨砂玻璃表面凹凸不平 发光面积较大的缘故 通常情况下 1 40W荧光灯的表面亮度约为7000cd m22 无云的晴朗天空平均亮度约为5000cd m23 太阳的亮度高达1 6 109cd m2以上一般情况下 当亮度超过1 6 105cd m2 人眼就感到难以忍受了 若发光面是一个理想的漫射体 其光强将按余弦分布 课本P8 朗伯发射面 在某一方向上的发光强度等于这个面垂直方向上的发光强度乘以方向角的余弦 这样的发光面称为朗伯发射面或朗伯体 有时也叫均匀漫射面或均匀漫射体 还常被称做余弦漫射体 三 光的辐射1 辐射的产生基态 离原子核最近的电子所处的最稳定的状态激发态 电子由于被激发而迁移到与其能量相当的能级所处的状态去激发跃迁 被激发的电子由激发态迁移到基态 或由高能级的激发态迁移到低能级的激发态 课本P8 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 光的辐射 在去激发跃迁时电子释放能量所形成的辐射 通常以单位时间内光辐射能量的大小来表示人工光源中常用的辐射源 热辐射 气体放电 电致发光2 热辐射热辐射 当物体被加热到高温时 组成它的原子由于大量的相互作用而被激发 从而产生辐射 黑体辐射 图1 8黑体的相对能量分布 黑体又称为完全辐射体 其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 及它的反射比和透射比为0 吸收比为1 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 其光谱能量分布是确定的 这种形式的辐射称为热辐射或黑体辐射 主要特点1 随温度 黑体辐射的总能量迅速增加2 随温度 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的逐步升高 其颜色先发红 再变黄 最后发蓝 当温度增加到5000K左右时 黑体将变成白炽色 其最大值接近可见光 钨丝辐射 主要特点 分布曲线的形状与黑体辐射很相似 随温度 可见光部分的增加速度比红外线的增加速度要快 其辐射功率的峰值比同温度的黑体更偏向于可见光区域 即钨丝在可见光区域内的选择辐射率较高 图1 9同温度 3000K 下黑体和钨丝的辐射曲线 黑体是一种理想的辐射体 在自然界中根本不存在 3 气体放电 在电场的作用下 载流子在气体或蒸汽中产生运动 从而使电流通过气体或蒸汽的过程 低气压放电 辐射的能量主要以线光谱为主高气压放电 辐射的能量包括强的线光谱和弱的连续光谱 4 电致发光 场致发光 电流通过固体物质 如半导体 时所产生的发光现象 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 禁带 满带和导带之间的间隙 电子不能在禁带滞留 局部能级 掺杂后产生的特殊能级 能量分布 可能是线光谱 或是一定波长范围内密集的线光谱 或是连续光谱 半导体的能带 能级 满带 电子具有基态的能量水平 正常状态下电子占据满带 导带 电子具有激发态的能量水平 电子被激发时迁移到导带 四 物质的光学性质1 光的吸收 光在介质中传播时其强度将越来越弱 在这个过程中有一部分光的能量转变为其它形式的能量 如热能 这就是介质对光的吸收 一般情况下 非透明表面越粗糙且颜色越深的材料 吸收比越大 介质对光的吸收与光在介质中传播的光程 即介质吸收层的厚度 有关 光程越大 介质吸收的光也越多 介质对光的吸收还与光的入射方向和偏振状态有关 2 光的折射和透射 2 光的透射1 定向透射 光透过介质后仍按一定的方向传播 2 扩散透射透射介质的透射光束被扩散了 扩散透射可分为 定向透射 漫透射 混合透射 2 扩散反射反射光束的立体角大于入射光束的立体角主要有定向扩散反射 漫反射 混合反射 3 光的反射 1 定向反射 镜面反射 全反射现象 当i A时 光线从两种介质的分界面处全部反射回原来的介质中的现象 3 全反射 4 物质的光谱选择性 如果没有光射入人的眼睛 人就不会有视觉 自然界大部分物体本身是不发光的 人们之所以能看到各种物体 是由于其它光源照射在物体上 物体将部分光反射出来 其中有一部分进入人的眼睛 人们才能看到物体 任何物质在光的照射下都可能发生光的吸收 透射或反射等现象 波长不同时 各种物质的吸收比 透射比和反射比也不同 这种现象称为物质对光有光谱选择性 如果任何物质都不具有光谱选择性 那么太阳光照射在这些物质上 人感觉到的颜色将是和太阳一样的呈白色 若吸收比大一些 这呈灰色 甚至黑色 即绚丽多彩的世界在人的眼中将是黑白世界 第二节光与视觉 视觉是指光射入眼睛后产生的一种知觉 一 视觉过程 产生视觉的首要条件 有光存在 并射入眼睛 二 视觉特性 由于视网膜上的锥状细胞和杆状细胞对光的感受性不同 因而当视野亮度发生变化时 人眼就会产生不同的视觉特性 1 暗视觉 明视觉和中介视觉 1 暗视觉 或杆状视觉 当视场亮度在10 6 10 2cd m2时 非常微弱的照度 杆状细胞工作 锥状细胞不工作的视觉状态 杆状细胞对光的感受性很强 视觉特点 杆状细胞最大的视觉灵敏度在507nm处 所以暗视觉杆状细胞工作时 绿光和蓝光显得特别明亮 对物体细节的分辨能力很差 对颜色无法分辨 暗视觉状态下的世界是无色的 2 明视觉 或锥状视觉 视场亮度超过10cd m2时 锥状细胞工作为主的视觉状态 视觉特点 锥状细胞最大的视觉灵敏度在555nm处 所以锥状细胞工作时 波长较长的光谱如红色光显得特别明亮 能分辨物体的细节 正常人都有良好的颜色感觉 3 中介视觉视场亮度在10 2 10cd m2时 杆状细胞和锥状细胞同时起作用的视觉状态视觉特点 视觉特性介于暗视觉和明视觉光谱光效率曲线之间 且随着亮度的增加 从左边移向右边 2 视觉阈限视觉阈限 能引起光觉的最低限度的光量 视觉器官可以在很大的范围内感受光的刺激 但却有一个最低的限度 当低于这一限度时 视觉器官就不再能引起对光的感觉了 用亮度来度量 又称为亮度阈限影响视觉阈限的因素 目标物的大小 视角越小 视觉阈限越高 反之亦然 视角 一般用目标物对眼睛所张的角度表示 当视角超过30度时 亮度阈限不再降低 目标物发出的光的颜色有关 视角相同时 波长越长如红光 黄光 视觉阈限越高 波长较短如蓝光 亮度阈限低 观察目标物的时间目标物呈现的时间越长 视觉阈限越低 反之亦然 绝对亮度阈限 背景亮度近似为零 目标足够大 视角 30 时 眼睛能识别目标的最低亮度值称为绝对视觉阈限视觉的绝对感受性 绝对视觉阈限的倒数 人的绝对感受性 实验证明 在充分适应黑暗的条件下 人眼的绝对感受性非常之高 即人眼的视觉阈限很小 绝对视觉阈限约为10 6cd m2 但人只能忍受不超过106cd m2的亮度 否则视网膜可能被灼伤 3 明适应和暗适应视觉适应 视觉器官的感觉随着接收的光亮度和颜色的刺激而变化的过程或它的最终状态 明适应和暗适应指的是视觉对视场亮度变化的适应 1 明适应 视野亮度由低向高变化时的视觉适应过程 杆状细胞工作 暗 锥状细胞工作 明 适应时间大约需要1min 2 暗适应 视野亮度由高向低变化时的视觉适应过程 锥状细胞工作 明 杆状细胞工作 暗 适应时间大约需要7min 所以 当视觉内明暗急剧变化时 人们会因眼睛不能很快适应而视力下降 故在照明工程中 有限场合要考虑明暗适应的过渡照明 以满足眼睛适应性的要求 例如隧道入口处 地下通道或车道等的入口处的亮度高一些 然后逐渐降低亮度 以保证一定的视力要求 4 眩光眩光 在视野内由于亮度分布或亮度范围不适宜 或存在极端的对比 以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象 1 不舒适眩光产生不舒适感觉 但并不一定降低视觉对象的可见度的眩光 2 失能眩光降低视觉对象功效和可见度的眩光 照明工程中引起眩光的主要原因 视野中 特别是在靠近视线方向存在发光体 直射眩光 视野中的反射 特别是在靠近视线方向看见反射像 反射眩光 视觉对象的镜面反射 它使视觉对象的对比降低 以致部分地或全部地难以看清细部 光幕反射 5 个人差别 对于视觉特性 人与人的感觉是不同的 引起个人差别的主要原因是年龄 三 视觉功效视觉功效 完成视觉工作的功效 可定量评价眼睛完成给定视觉作业的能力1 对比敏感度和可见度眼睛要辨别物体 目标物与背景之间要有一定的颜色对比和亮度对比 1 亮度差 被观察目标的亮度与背景亮度之差 临界亮度差 人眼能识别目标与背景的最小亮度差 2 亮度对比 被观察目标和背景亮度差与背景亮度之比 临界亮度对比 临界亮度差与背景亮度之比 3 对比敏感度在给定的眼睛适应状态下 可知觉的临界对比的倒数 4 可见度人眼辨认物体存在或确定物体形状的难易程度 2 视觉敏锐度 人眼辨别物体轮廓和细节的能力 用眼睛能辨认的两个相邻物体的最小视角的倒数表示3 视觉感受速度从物体出现到形成视觉所需要的时间的倒数 第三节光与颜色 在人体的各种感觉中 视觉是最重要的感觉 人的眼睛可获得外界信息量的87 而人眼只有通过光作用在物体上造成的色彩才能获得印象 所以色彩是唤起人的第一视觉作用的重要媒体 对照明质量的评价不只考虑光的强度 还要考虑光源和环境的颜色 一 颜色的形成 颜色起源于光 1 光源色光源色 因发光体发出的光所形成的颜色光源的颜色取决于光的波长成分注意 单色光的光源色称为光谱色 其颜色取决于单色光的波长 复合光的光源色取决于复合光的光谱能量分布 光谱色波长的范围 2 物体表面色 表面色 物体表面色 非发光体表面的颜色由漫反射光的表面或由此表面发射的光所呈现的色觉 物体表面色取决于 入射光的光谱能量分布 物体表面的反射比 二 颜色的基本特性颜色的分类 1 非彩色黑 白色和介于两者之间的深浅不同的灰色黑白系列 黑色 深灰 中灰 浅灰 白色 2 彩色黑白系列以外的各种颜色属于彩色彩色系列 紫 蓝 绿 黄 橙 红颜色的基本特性 1 色调 色相 可见光谱不同波长的光在视觉上的表现相似于红 黄 绿等的一种或两种知觉色成分有关的表面视觉属性2 彩度颜色的深浅程度3 明度颜色的明暗程度注意 彩色系列具有完整的三个特性黑白系列只有明度 彩度为0 没有色调 三 表色系统 为了能精确地标定颜色 通常借助于表色系统 1 孟塞尔表色系统按颜色的三个基本特征的组合来表征颜色 图1 19孟塞尔表色系统颜色立体图 图1 20孟塞尔颜色图册中一定明度的色调与彩度 彩色系列的孟塞尔表示形式 HV CH 色调 V 明度 C 彩度如 5YR8 4H 5YR表示该颜色是黄红色V 8表示颜色较亮 或反射比较高 C 4表示颜色的彩度不高 或颜色较淡 综合评价 该颜色应该是淡黄粉色黑白系列的孟塞尔表示形式 NVN 中性色 V 明度如 N5表示明度为5的中灰色 2 CIE表色系统 以三原色学说为依据 由色刺激表示的系统 它能够定量地分析光源色的相加混合 也可以用于物体表面色 1 三色原理三基色 三原色 红 700nm 绿 546 1nm 蓝 435 8nm 三色原理 普通的任意颜色 高彩度的颜色 2 光谱三刺激值 理论上 任意一种光谱色也都可以用三原色混合而成 若用表示波长为 的光谱色用三原色混合时各原色的量值 则称是波长为 的光谱色的三刺激值 图1 211931CIE RGB系统