注册建筑师考试之建筑采光和照明原理

1、建筑采光和照明原理一、光的特性和基本量（一）光的本质与特性“光”这个术语，可从两方面去理解。若从客观物理意义上去理解，则光指的是以电磁波形式传播的辐射能若从人的主观感觉去理解，则光指的是由能够为人眼所感觉到的可见光谱的辐射能刺激眼睛所引起的“亮”的感觉。（1）可见光波长为380nm至780nm，单位为nm纳米，也即毫微米，1nm=10-9m.波长大于780nm的红外线、微波、无线电波等，以及波长小于380nm的紫外线、x射线等，都不能为人眼所感知。（2）人眼对不同波长的可见光有不同的敏感度。人眼的这种特性可见光谱光视效率曲线表示。从图21可看出，对于明视觉（即处在光亮环境下），人眼对波长为55

2、5nm的黄绿光最敏感。这意味着该种波长的光能引起人眼最强的亮感；而对于暗视觉（即处在较暗环境中），则人眼对波长为507nm的蓝绿光最敏感。（3）人眼具有感知颜色的能力，称为色觉。人眼对780nm范围内的可见光能够产生不同的颜色感觉。随着波长的不同，可区分出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，见表2-1.（二）基本光度单位在光环境设计中，需要一些物理量来进行计算和测量。这些物理量以光通量为基础，构成光计量体系，其中最基本的有光通量、发光强度、照度和亮度等。在介绍这些物理量之前，先介绍球面度（Sr）的概念1.球面度（Sr）球面度是用于测量三维或固体角度的单位。1球面度的定义为在半径为r的球心处，一表

3、面积为r2的球面所形成的立体角（图2-2）。球面总面积是4r2，因此，球中心处共有4球面度（4r2/r2=4）。2.光通量光通量：光源在单位时间内发出的可见光的能量，用符号表示，单位是流明（lm）=Kme（）V（）d（2-1）式中e（）波长为的单色辐射光通量，W；V（）可见光光谱光视效率，见图2-1；Km最大光谱光视效率，对明视觉而言，在=555nm处，其数值为683lm/W，即1光瓦=683lm.在建筑环境光学中，常用光通量表示光源发出的光能的多少。例如，100W普通白炽灯发出1250lm的光通量，40W日光荧光灯约发出2200lm的光通量等。3.发光强度光源在某一方向上的发光强度是光源在该

4、方向单位立体角内所发出的光通量。它表示光通量的空间密度，用符号I表示，单位是坎德拉（cd）。设光源在某一方向的小立体角d内发出的光通量为，则该方向的发光强度I为：I=d/d（2-2）式中d光通量，lm；d立体角，Sr.坎德拉表示光源在1球面度立体角内均匀发出llm的光通量，即lcd=11m/1Sr.4.照度照度指光源落在单位被照面上的光通量，用符号E表示，单位是勒克斯（1x）。设被照面上一个面积微元ds上接收到的光通量为d，则该处的照度为：E=dds（23）式中d光通量，lm；ds面积微元，。照度是用来衡量被照表面受到光照射程度的一个基本光度量，即被照表面的光通量密度。勒克斯等于llm的光通量

5、均匀分布在1的被照面上所形成的照度，即llx=llm/1.例如，40W白炽灯下1m处的照度为301x；晴天户外中午阳光下照度可达80000x。5.亮度亮度是受到发光体或一个反射表面的光刺激的物理量。它产生一个主观亮度感觉。亮度可定义为发光表面在视线方向上单位投影面积上的发光强度，用符号L表示，单位是坎德拉每平方米（cd/），也称nt（尼脱），Int=lcd/.L=I/（Acos）（2-4）式中I发光表面朝视线方向的发光强度，单位是cd；Acos发光表面在视线方向的投影面积，单位是。例如，荧光灯管的亮度约为0.10.6X104cd/，白炽灯的亮度约为0.15X104cd/，蜡烛光的亮度约为0.5

6、cd/。（三）基本光度量间的关系1.发光强度与照度光源在某一表面产生的直达光成分可用以下两个照度定律来计算：（1）照度的平方反比定律：E=I/r2式中r光源至被照面的距离；I光源的发光强度。式（25）适用于点光源形成的照度，它表明，某点光源在离开它rm的被照面上所形成的照度，与其发光强度I成正比，而与光源至该表面的距离的平方成反比。上式也反映了发光强度I与照度E的关系。（2）照度的余弦定律上述定律，是在被照面与入射光线相垂直的情况下得出的，若光线是以任意角射至被照平面上时，照度还应通过乘以夹角的余弦来修正，因为这时光通量分布在一个更大些的面积上。这时，被照面的照度可以写成E=Ecos，于是，距

7、离平方反比定律修正为：2.照度与亮度照度与亮度的关系由立体角投影定律表明：E=Lcos（2-7）式中L发光表面的亮度；发光表面在与其平面法线成。角的方向上所张的立体角，n=Acosa/r2；A发光表面的面积；r发光表面中心与被照表面中心的距离；光线在被照表面上的入射角。式（27）表明，某发光面在被照面上形成的照度与发光面的度成正比，也与发光面在被照面上所张的立体角的投影成正比。只要发光面在被照面上的立体角投影相同，则这些发光面在被照面上形成的照度也相同，而与发光面的面积无关。二、装饰材料的光学性质人们在建筑物内所看到的光，可分成直达光和间接光。直达光是由光源直接照射的结果，间接光是经过各界面或

8、其他物体反射后到达的光。直达光如果是经过透光材料到达，就成为透射光。不同材料对光的反射和透射的性能不同，因此，选用不同的材料，就会在建筑空间形成不同的光照效果。在光传播过程中，达到不同介质（如玻璃、墙等）时，入射光通量中的一部分被反射回原先的介质中。这部分光通量称为反射光通量；一部分被入射的介质所吸收，称为吸收光通量；另有一部分则透过介质进入另一侧空间，称为透射光通量。根据能量守恒定律，这三部分光通量之和应等于入射光通量，即=+（一）反射比、透射比与吸收比1.反射比指被照面反射光通量与入射光通量之比，用符号表示，无量纲：=/（28）例如：石膏的反射比为0.91，白乳胶漆表面的反射比为0.84，

9、水泥砂浆抹面的反射比为0.32，白色抛光铝板的反射比为0.830.87等。2.透射比指经过被照面（物）透射的光通量与入射光通量之比，用符号表示，无量纲：=/（2-9）例如，36mm厚的普通玻璃的透射比为0.780.82，36mm厚的磨砂玻璃的透射比为0.550.60，lmm厚的乳白玻璃的透射比为0.60，26mm厚的五色有机玻璃的透射比为0.85等。3.吸收比指被照面（物）吸收的光通量与入射光通量之比，用符号表示，无量纲：=/（210）4.反射比，透射比与吸收比的关系：+=1（211）（二）光的反射与透射规律1.光的定向反射光线射到非常光滑的不透明材料，如玻璃镜、磨光的金属等表面时，就会发生定

10、向反射，也称镜面反射。它遵循定向反射定律：即入射光线，反射光线与反射面的法线处在同一平面上，且入射角等于反射角。但是反射光的亮度和发光强度都比入射光有所降低，因为有一部分光能被吸收或透射。因此，反射后的亮度IP和发光强度/P成为：L=L（2-12）,I=I（2-13）式中L光源原有的亮度；I光源原有的发光强度；材料的光反射比。发生定向反射时，在反射光线的方向上，可以清晰地看到光源的影像。但在需要避免眩光的场合，应注意由于光滑表面产生的定向反射所形成的眩光。2.光的扩散反射（1）均匀扩散反射均匀扩散反射材料（如石膏、氧化镁等）以及大部分粗糙、无光泽的建材，如粉刷、砖墙等，将入射光线均匀地向半空间

11、反射。在各个方向和角度，反射光的亮度完全相同，可又看不见光源。这类材料的表面发光强度遵循朗伯余弦定律：I=I0cos（214）式中Io材料表面法线方向的发光强度；法线与某一反射方向的夹角。经过均匀扩散后的亮度为：L=E/（215）式中L亮度，cd/m；E照度，Ix；材料反射比。如果亮度采用的是另一个单位阿熙提（asb），1asb=cd/，则有：L=E（216）（2）定向扩散反射定向扩散反射材料如油漆表面，较粗糙的金属表面等大部分材料，在反射方向能看到I光源的大致影像。3.光的定向透射光线照到玻璃、有机玻璃等光滑、透明的材料上时，会发生定向透射。如果材料的两个表面相互平行，则透过光线和入射光线方

12、向保持一致，见图26.但是透射后的亮度L和光强I，将减弱成为：L=L（2-17），I=I（2-18）式中材料的透射比。如果玻璃不够透明，或者表面不平行，比如凹凸不平的压花玻璃，则透射光线会偏离原方向，使得光源影像模糊不清，但仍能使部分光线透射过去，保持一定的采光效果。4.光的扩散透射半透明材料（如乳白玻璃、半透明塑料等），可使入射光线发生扩散透射，即透射光线所占的立体角比入射光线有所扩大，看不清光源的影像。扩散透射可分成均匀扩散透射和定向扩散透射两类。（1）均匀扩散透射经过均匀扩散透射后，各个方向所看到的亮度相同，但透射后亮度L，有所降低，成为：L=E/（2-19）式中L亮度（cd/m）；E照

13、度（1x）；材料的透射比。若亮度采用的是另一单位阿熙提（asb），则：L（asf）=E（2-20）至于发光强度，均匀扩散透射后的发光强度的分布，亦遵循朗伯余弦定理：I=I0cos（221）式中Io法线方向的发光强度；法线与所求方向的夹角。（2）定向扩散透射定向扩散透射材料如磨砂玻璃等，光线透过它时，可以看到光源的大致影像，但轮廓不清晰。三、颜色基本知识（一）光源色和物体色1.光源色（1）光源色温人们感觉到的光源的颜色，用色温或相关色温表示，单位为开尔文（K）。色温是指当光源的颜色和一完全辐射体（黑体）在某一温度下发出的光色相同时，完全辐射体的温度就称为该光源的色温。色温用符号Tc表示。色温在5

14、300K以上时称冷色型；色温在33005300K之间时称中间色型；色温低于3300K时称为暖色型。举例：日光色温为53005800K；40W荧光灯色温为30007500K；40W白炽灯色温为2700K。（2）显色指数光源光对物体颜色呈现的真实程度称显色性。光源的显色指数是指物体在待测光源下的颜色与它在参照光源下的颜色相比的符合程度。光源的显色指数分为一般显色指数与特殊显色指数两种，前者用符号Ra表示，后者用及Ri表示。普通照明光源用Ra作为显色性评价指标。Ra最大值为100，当Ra为80100时，显色性优良；当Ra为5079时，显色性一般；当Ra50时，显色性较差。举例：500W白炽灯的Ra为

15、9599；1000W镝灯的Ra为8595；荧光灯的Ra为5093；高压钠灯的Ra为2025；400W荧光高压汞灯的Ra为3040。2.物体色物体色是指物体对光源的光谱辐射有选择性地反射或透射后使人眼对物体产生的颜色感觉。物体色取决于光源的光谱组成以及物体对光谱的反射或透射的情况。（二）颜色的表色体系1.孟塞尔（A.H.Munsell）体系孟塞尔体系是按颜色的三个基本属性即色调H、明度y和彩度C对颜色进行分类与标定的体系。色调分为R、Y、G、B、P五个主色调以及YR、GY、BG、PB和RP五个中间色调。中轴表示明度，分为11级，以理想黑为0，理想白为10；明度轴至色调的水平距离表示彩度的变化，离

16、明度轴越远，彩度越大。表色符号的排列是先写色调H，再写明度y，划一斜线，最后写彩度，即HV/C.无彩色用N表示，只写明度，不写彩度。举例：颜色10Y8/12表示色调为黄色与绿色的中间色，明度为8，彩度为12，N7/表示明度为7的中性色。2.CIE色度体系该体系是国际照明委员会（CIE）于1931年推荐的色度体系，见图210.该体系将所有颜色用J，y坐标表示在一张色度图上。图上的点表示一种颜色。马蹄形曲线表示单一波长的光谱色。400700nm直线是光谱上没有的颜色。图上中心点正是等能白光（白色），由三原色各占1/3组成，色坐标XE=h=ZE=0.333。CIE色度体系比孟氏表色体系应用更广，不但

17、可表示光源色，也可表示物体色。图中的曲线表示光源相关色温。举例：x=0.425，y=0.400的光源色的相关色温约为3200K。四、视觉基本特性（一）明适应与暗适应人眼的感觉细胞分为锥状细胞和杆状细胞。在明视觉状态下（约1.0cd/以上的亮度水平），锥状细胞对光色刺激发挥作用。这时，人眼具有颜色的感觉。在暗视觉状态下（约在0.01cd/以下的亮度水平），杆状细胞发挥作用。这时，人眼几乎不能识别颜色和细部。人们从明视觉状态到暗视觉状态时，须经过1035min方能看到周围的物体，这个适应过程叫暗适应；反之，由暗环境到明亮环境的适应，则仅需约36s，此称为明适应。（二）视角、视力和视野1.视角被观看

18、的物体大小对眼睛所形成的张角称为视角。式中视角，分；d物体的尺寸；l视距。2.视力人眼辨认物体形状细部的能力称为视觉敏锐度，或称视力。视力是所观看的最小视角的倒数，即视力=1/min.在通用的国际眼科学会兰道尔环测量标准中，规定在5m视距上能辨别1的开口时，视力为1.0，识别2的视力为0.5.3.视野当人的头和眼睛不移动时，人眼可察看到的空间范围称为视野。人的视野范围为：水平面180o垂直面130o，其中向上为60o，向下为70o.视轴周围30o的视觉范围，是视觉清楚的区域。（三）光量效应例如，照度为l0lx的房间，增加llx的照度就可感觉出来照度变了；而在照度为1001x的房间，则需增加l0lx的照度，才能觉察出照度的变化。（四）视度视度即指观看物体时的清晰程度。影响人眼视度的主要因素有：（1）被视物体的照度或亮度。照度或亮度高，则视