建筑物理（第4版）课件：天然采光

建筑物理（第4版）

天然采光知识单元1光气候和采光标准2.1.1光气候2.1.2采光标准知识单元2采光口的基本形式2.2.1侧窗2.2.2天窗知识单元3采光设计2.3.1采光设计的内容及过程2.3.2采光设计示例－中小学教室采光设计知识单元4采光计算2.4.1采光计算所需数据2.4.2计算过程与方法知识单元5采光节能知识单元1光气候和采光标准人眼工作需要良好的光照。人眼对天然光最适应。室内的工作环境必须充分利用天然光照。2.1.1光气候光气候是指由太阳直射光、天空扩散光和地面反射光形成的天然光自然状况。（1）天然光的组成和影响因素太阳是地球天然光的唯一来源。地球和太阳距离非常远，太阳光可视为平行照射地球。到达地面的太阳光一般分为两部分：太阳直射光和天空扩散光。直射光照度高，具有一定的方向，可使物体形成阴影。天空扩散光则是太阳光碰到大气层中的空气分子、灰尘、水蒸气等微粒，产生多次反射形成的。天空扩散光有一定亮度，形成的照度低，无一定方向，不能形成阴影。知识单元1光气候和采光标准2.1.1光气候两种光的比例随天空中云量（如把天空总面积分成10份，云量表示其中被云遮住的份数，它划分为0～10级）而变化。两种光线所占比例不同，地面上阴影的明显程度随之改变，光线的照度也将发生变化。光气候的两种极限情况是晴天和全云天。1）晴天晴天指云量为0～3级的天气。地面照度由太阳直射光和天空扩散光形成。晴天室外照度变化情况如图2-1所示。两种光的比例还受大气透明度影响，透明度俞高，直射光所占的比例俞大。知识单元1光气候和采光标准2.1.1光气候室内某一点的照度取决于从这点通过窗口所看到的那一块天空的亮度。无云天，太阳高度角40°时天空亮度分布见图2-2a。2）全云天在全云天，天空全部被云遮盖，室外天然光全部为天空扩散光。图2-2b是全云天的天空亮度分布图。影响全云天地面照度的主要因素有：①太阳高度角。②云状。③地面反射能力。④大气透明度。知识单元1光气候和采光标准2.1.1光气候除了晴天和全云天这两种极端状况外，还有多云天。目前多采用全云天作为设计依据。（2）我国光气候概况影响室外地面照度的因素主要有：太阳高度角、云状、云量和日照率（太阳出现时数和理论上应出现时数之比）。我国地域辽阔，同一时刻南北方的太阳高度角相差很大。天然光照度中，南方以天空扩散光照度较大，北方和西北以太阳直射为主。2.1.2采光标准知识单元1光气候和采光标准GB/T5033－2013《建筑采光设计标准》是采光设计的基本依据。下面简要介绍该标准的相关内容。（1）采光系数采光系数是采光的数量评价指标，也是采光设计的依据。

(2-1)式中

En——在全云天天空扩散光照射下，室内给定平面上某一点由天空扩散光所产生的照度，单位为lx；Ew——在全云天天空扩散光照射下，与室内某一点照度En同一时间、同一地点，在室外无遮挡水平面上由天空扩散光所产生的室外照度，单位为lx。2.1.2采光标准知识单元1光气候和采光标准Ew——在全云天天空扩散光照射下，与室内某一点照度En同一时间、同一地点，在室外无遮挡水平面上由天空扩散光所产生的室外照度，单位为lx。（2）采光系数标准值我国将视觉作业分为Ⅰ～Ⅴ级，我们把室内照度值达到标准最低值时的室外照度值，称为室外临界照度，也就是需要采用人工照明时的室外照度极限值。规范规定其值为5000lx。采光标准按不同的采光类型，分别提出不同时的要求，具体值见表2-1。2.1.2采光标准知识单元1光气候和采光标准等级侧面采光顶部采光室内天然光照度标准值/lx采光系数标准值(%)室内天然光照度标准值/lx采光系数标准值(%)Ⅰ75057505Ⅱ60044503Ⅲ45033002Ⅳ30021501Ⅴ1501750.5表2-1视觉作业场所工作面上采光系数标准值2.1.2采光标准知识单元1光气候和采光标准（3）光气候分区我国地域辽阔，各地光气候有很大区别，故采光标准将全国划分为Ⅰ～Ⅴ个光气候分区。在《建筑采光设计标准》（GB/T5033－2013）中所列采光系数标准值适用于Ⅲ类光气候区。其他地区应按它所处不同的光气候区，选择相应的光气候系数K（光气候系数K见表2-2）。采光设计中，所在地区具体的采光系数标准值，为采光标准各表所列采光系数标准值乘上各区的光气候系数K。分区ⅠⅡⅢⅣⅤK值0.850.901.001.101.20表2-2光气候系数K值2.1.2采光标准知识单元1光气候和采光标准（4）不同类型建筑的采光系数标准值见教材表2-3至表2-10（5）采光质量1）合适的采光均匀度2）防止眩光①作业区应减少或避免直射阳光；②工作人员的视觉背景不宜为窗口；③为降低窗亮度或减少天空的视域，可采取室内外遮挡设施；④窗结构内表面和窗周围的内墙面，宜采用浅色饰面。3)采用合适的光反射比2.1.2采光标准知识单元1光气候和采光标准表面名称光反射比表面名称光反射比顶棚0.70～0.80地面0.20～0.40墙面0.50～0.70桌面、工作台面、设备表面0.25～0.45表2－11室内各表面光反射比标准2.1.2采光标准知识单元1光气候和采光标准4）采光设计应注意光的方向性，应避免对工作产生遮挡和不利影响。5）白天天然光线不足而需要补充人工照明的场所，补充的人工照明光源宜选择接近天然光色温的高色温光源。6）对于需识别颜色的场所，宜采用不改变天然光光色的采光材料。7）对于博物馆和美术馆建筑天然采光设计，宜消除紫外辐射、限制天然光照度值和减少照射时间，以防止对展品的危害。8）对具有镜面反射的观看目标，应防止产生反射眩光或看见光源的映像。2.2.1侧窗知识单元2采光口的基本形式围护结构开洞口安上透光材料，称采光口。采光口即可采光，又可使室内免受风、雨雪的侵袭。采光口可分为侧窗和天窗两种形式。在房间的侧墙上开窗以获取天然光线称为侧窗采光。其特点为：布置灵活方便、构造简单、不受建筑层数限制、开启方便、有利通风换气、造价低，光线具有强烈的方向性，使物体有立体感，并可通过它看到外界景物，扩大视野，与外界取得联系。一般侧窗窗台离地面的高度为1米左右，称为低侧窗。窗台离地面高度在2米以上的为高侧窗。窗口的形式应结合房间的形状来选择，如窄而长的房间宜用竖长方形窗，宽而短浅的房间宜用横长方形窗。沿房间进深方向的采光均匀性，最主要的是受窗位置高低的影响。如图2-3所示。2.2.1侧窗知识单元2采光口的基本形式2.2.1侧窗知识单元2采光口的基本形式影响房间横向采光均匀性的主要因素为窗间墙，窗间墙愈宽则横向采光均匀性愈差，特别是靠窗间墙一侧的横向均匀性更差。侧窗采用不同玻璃在室内获得不同的采光效果，如图2-4表示。2.2.2天窗房屋屋顶设置采光口采光称为天窗采光。天窗采光与侧窗采光相比，具有以下特点。1）采光效率高，约为侧窗的8倍。2）一般具有较好的照度均匀性（平天窗房屋阳光直射处照度均匀性差一些）。2.2.2天窗知识单元2采光口的基本形式3）天窗采光一般很少受到遮挡。但天窗的开窗方式，决定了它只能应用在建筑物屋面下的房屋。天窗的形式有矩形天窗、横向天窗、锯齿形天窗、平天窗以及井式天窗。（1）矩形天窗知识单元2采光口的基本形式2.2.2天窗矩形天窗的采光效果与天窗某些尺寸密切相关，设计时应注意选择，见图2-6。1）天窗宽度（bmo）影响室内照度平均值和均匀度，一般取建筑跨度b的一半左右为宜；2）天窗位置高度（hx）是指天窗下缘至主工作面的高度，它对照度和采光均匀度均有较大影响，一般取0.35b～0.7b；3）天窗间距（bd）是指天窗轴线间的距离，它影响照度均匀性，一般取bd在4hx以内；知识单元2采光口的基本形式2.2.2天窗4）相邻天窗玻璃间距（bg）为两天窗的净距，过小会使天窗相互遮挡，一般取相邻天窗高度和的1.5倍。为避免直射阳光透过矩形天窗进入车间，矩形天窗的玻璃面最好为南北朝向。将矩形玻璃做成倾斜的（称为梯形天窗）可提高室内照度60%左右（如图2-7）,但在均匀度上却明显变差。并且梯形天窗易积尘、构造复杂。知识单元2采光口的基本形式2.2.2天窗（2）横向天窗为获得较大开窗面积，横向天窗不宜用于跨度较小的车间。横向天窗的玻璃与矩形天窗的玻璃成90°角，适于面向东西的车间。（3）井式天窗知识单元2采光口的基本形式2.2.2天窗（4）锯齿形天窗这种天窗的最大特点是光线的方向性强，故用于需要方向性采光的车间。知识单元2采光口的基本形式2.2.2天窗（5）平天窗在屋盖的洞口上覆以透明顶罩而形成的顶部采光形式称为平天窗。根据不同材料和屋面构造，平天窗可以布置成采光罩、采光板和采光带等形式（见图2-11）。知识单元2采光口的基本形式2.2.2天窗平天窗表面容易污染；且阳光直射形成不均匀亮度（见图2-12），在晴天较多的地区应采取阳光扩散措施；寒冷地区的冬季，尤其是在室内湿度较大的车间，平天窗内表面容易形成冷凝水，也应引起注意。图2-13列出几种常用天窗在平、剖面相同，且天然采光系数最低值为5%时所需的窗地面积比和采光系数分布。从图中可看出：分散布置的平天窗所需的窗面积最小。其次为梯形天窗和锯齿形天窗，最大的为矩形天窗。但从照度分布的均匀性来看，集中在一处的平天窗最差。知识单元2采光口的基本形式2.2.2天窗知识单元3

采光设计2.3.1采光设计的内容及过程房屋天然采光设计的知识单元在于根据视觉作业特点所提出的各项要求，正确选择采光口形式，确定必需的采光口面积及位置；使室内获得良好的光环境，保证视觉作业顺利进行。设计时应综合考虑采光、自然通风、保温、隔热、泄爆等因素。（1）收集资料1）采光要求①房间的使用功能。②工作面的形式。③工件表面状况。。④直射光线。⑤室内工作区域。知识单元3

采光设计2.3.1采光设计的内容及过程2）其他要求①采暖要求。②通风要求。③泄爆要求。④建筑立面要求。⑤经济性。⑥房间及其周围环境。（2）选择采光口的形式侧窗为主，天窗为辅。（3）确定采光口位置及能开窗的面积（4）估算采光口尺寸知识单元3

采光设计2.3.1采光设计的内容及过程对一般的工业建筑与民用建筑，据房间视觉作业分级和拟定的采光口形式和位置，即可从表2-12查出所需窗地面积比，建筑尺寸及对应的窗地面积比详见GB/T5033－2011《建筑采光设计标准》中的附录C。老年人居住建筑采光设计按GB/T50340-2016《老年人居住建筑设计标准》。由窗地面积比和室内地面面积乘积获得的开窗面积，仅是一种估算窗口面积的方法，它产生的采光效果，随具体情况不同会有很大差别。因此，不能把估算值作为最终确定的开窗面积，而需要进行验算。采光等级侧窗矩形天窗锯齿形天窗平天窗民用建筑工业建筑民用建筑工业建筑民用建筑工业建筑民用建筑工业建筑Ⅰ1/2.51/2.51/31/31/41/41/61/6Ⅱ1/3.51/31/41/3.51/61/51/8.51/8Ⅲ1/51/41/61/4.51/81/71/111/10Ⅳ1/71/61/101/81/121/101/181/13Ⅴ1/121/101/141/111/191/151/271/23知识单元3

采光设计2.3.1采光设计的内容及过程表2-12窗地面积比Ac/Ad计算条件：Ⅰ级采光按清洁房间和浅色表面（平均光反射比为0.5）计算；Ⅱ～Ⅴ级按一般污染房间和中等反射表面（平均光反射比为0.3）计算。知识单元3

采光设计2.3.1采光设计的内容及过程房间名称窗地比房间名称窗地比活动室1/4厨房、公共厨房1/7卧室、起居室、医务用房1/6楼梯间、公用卫生间、公共浴室1/10表2-13老年人居住建筑主要用房的最小窗地面积比当同一房间既有侧窗，又有天窗时，可先按侧窗查出其窗地面积比，再据能开窗的侧墙面布置侧窗，不足部分由天窗补充。通常要求侧窗能使室内外互相通视，这时对侧窗的面积有如下要求。1）侧窗玻璃面积宜占所处外墙面积的20%～30%；2）窗宽与窗间墙比宜在1.2:1～3.0:1之间；3）窗台高度不宜超过0.9m。（5）进行采光验算和技术经济分析，布置采光口知识单元3

采光设计2.3.2采光设计示例－中小学教室采光设计（1）教室光环境要求1）整个教室内应保持足够的照度，而且要求照度分布均匀。2）合理安排教室环境的亮度分布，消除眩光。3）较少的投资和较低的维护费用。（2）教室采光设计1）采光设计条件①满足教学和学习的功能要求。教室课桌面上的采光系数最低值不得低于2%。必须采用断面小的窗框材料，并使窗地面积比大于1:4，同时尽量使窗口上沿靠近顶棚。②照度分布均匀。③注意光线的方向性。光线最好从黑板左侧上方射来。④防止眩光。知识单元3

采光设计2.3.2采光设计示例－中小学教室采光设计2）教室采光设计中应注意的几个问题①室内装修。故顶棚和内墙应选择光反射比大的材料，且室内各表面亮度应尽可能接近，课桌表面应尽可能用扩散无光泽的浅色材料。②黑板。黑板和学生的笔记本之间不应有过大的亮度差别。控制眩光方法常有以下三种：I．端墙上距黑板1.0～1.5m处最好不开窗。图2-15a)中的开窗情况可能引起镜面反射。II.黑板做成微曲或折面。或黑板顶部向前倾斜放置。见图2-15b和图2-15c。知识单元3

采光设计2.3.2采光设计示例－中小学教室采光设计III.增加黑板照度。③梁和柱的影响。梁的方向尽量与外墙垂直，否则应做吊顶，使顶棚平整。④窗间墙。窗间墙的宽度应尽量缩小，以增加教室采光的横向均匀性。3）改善教室采光效果的具体措施由于侧窗采光不均匀，所以应采取措施提高教室采光的照度均匀性。改善措施有：①将窗的横档加宽，将它放在窗的中间偏低处。②在横档以上使用扩散光玻璃，可提高房间深处的照度。③另一侧开高侧窗，选择指向性玻璃或扩散玻璃