Transcript 第7讲建筑光环境
第六章 建筑光环境 清华大学 建筑学院 建筑技术科学系 2001年 光环境控制的意义 减少视觉疲劳，保证视觉健康和身 心健康 提高劳动生产率 降低能耗 人工照明能耗 空调能耗 2 90年代末上海市公共建 筑的一次能源消耗比例 % 宾馆 商场 办公楼 医院 空调 46.1 40.5 49.7 30.3 照明 13.5 33.7 33.3 13.9 热水 31 10.7 2.7 41.8 动力与其他 9.4 15.2 17 14 3 光的性质和度量 光的特征 电磁波的一部分，光子的波动运动 可见光和良好视觉的共同作用 在带有多种光谱成分的光源中，如果 某一部分占比例较大，就呈现出那个 波长对应的颜色。 较短的波长为主 较长波长为主 4 光通量 物理意义：说明光源发光能力的基 本量，能量单位。 定义：辐射体单位时间内以电磁辐射 的形式向外辐射的能量称辐射功率或 辐射通量(W)。光源的辐射通量中被人 眼感觉为光的能量(波长380－780nm) 称为光通量。 单位: 流明(lumen，lm)。 人眼在观看同样功率的辐射时, 在不同 波长时感觉到的亮度是不同的，人眼 的这种特性用相对光谱光效率V()来表 示。 5 不同波长的相对光谱光效率 明视觉：V()max 对应波长555nm (黄绿光)，光效是 680lm/W。 暗视觉：V() max 507nm (蓝绿光) 6 发光强度 I 发光强度：表示光源光通量的空间密度 定义：光源在某一方向的发光强度定义为光 源在这方向上单位立体角内发出的光通量(和 距离无关)。 I d d 单位：坎德拉(candela, cd) dS d 2 r ds 7 光通量相同，发光强度 却不同 8 照度 E 定义：落在单位面积被照面上的光通量的数 值。表示被照面被照射的程度。 表达式： d E dS 单位：勒克斯(lux, lx)，相当于1 lm的光通量 均匀分布在1m2的被照面上 性质：可叠加性。几个光源同时照射被照面 时，实际照度为单个光源分别存在时形成照 度的代数和。 9 光源的发光强度与被照 面的照度关系 已知点光源发光强度以及 与被照面的距离，即可求得 垂直于二者连线的被照面的 照度： En＝I / r2 再通过三角转换即可求得 实际被照面的照度： E=Ensin = (I / r2) sin 线光源是点光源的积分叠 加，面光源是线光源的积分 叠加。原理相同。 I r E 10 照 度 11 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 12 亮度 L 定义：正在发光 (或反光) 表面的明亮程度。 亮度是与眼睛感觉有关的量，取决于进入眼 睛的光通量在视网膜物象上的密度。 物理亮度：发光体在视线方向上单位面积发 出的发光强度，尼特(nit, nt)、熙提(stilb, sb) 1 nt =1 cd/m2，1 sb = 1 cd/cm2 = 104 nt 主观亮度：考虑背景亮度的作用 视网膜只可承受 16 sb以下的亮度！ 13 亮度和照度有何区别？ 照了不一定亮！ 照度相同 反光材料，亮度高 吸光材料，亮度低 14 亮度表达式 dI L dS cos 当量面积 dScos dI 15 光源的亮度与被照面的 照度关系 光源 面积A L E＝L sin ＝Acos / r r2 E 16 光的传播特性 光遇到介质会发生反射、透射和吸收。 反射、透射光使人眼可以看见。 = + +c c 17 反光和透光材料 定向反射与透射材料：入射角＝反射 角，透射方向与入射方向一致 镜面玻璃 平板玻璃 均匀扩散反射、透射材料 粉刷涂料 乳白玻璃 18 反光和透光材料 定向扩散反射与透射材料：与入射角 相同的反射角方向上、与入射方向一致 透射方向上有最大亮度，其它方向也有 一定亮度 光滑的纸 油漆表面 磨砂玻璃 19 光问题与热问题的比较 共同点 热问题：相同条件下，投入能量越多，温 度就越高 光问题：相同条件下，可见光区投入能量 越多，亮度就越高 不同点 热量守恒：热源停止供热，已有的热量也 不会消失；热被材料吸收了仍然存在。 亮度不守恒：光源停止发光，光就没了； 光被材料吸收了就不存在了，变成了热。 20 视觉与光环境 良好的光环境是保证视觉功能舒适有 效的基础 什么是良好光环境？ 人们可以不必通过意识的作用强行将 注意力集中到所要看的地方，就能不 费力气而清楚地看到所有搜索的信息 获得的信息与实际情况相符合 背景中也没有视觉“噪声” 干扰注意力 21 眼睛的生理特点 视网膜的两种感光细胞 亮度高于3 nt(cd/m2)时主要由锥状细胞发 挥作用 在亮度低于0.01 nt时主要由杆状细胞发挥 作用，但不能分辨颜色 绝对光阈：背景亮度为 0 时可识别的临 界亮度 目标越小要求越高 呈现时间越短要求越高 22 视野和视场 180 双眼视野 水平方向单眼视野180 斜线区为单眼视野范围， 白色区为双眼视野范围。 单眼向上60 ，向下70 。 23 视觉特征描述 亮度对比度 | Lt Lb | L C Lb Lb 亮度对比度对人眼看物体的清晰程度的影响 24 视觉特征描述 视角 tg 1 d d l l 视觉敏锐度：刚刚能分辨的视角的倒数 25 视觉特征描述 视觉适应 26 颜色 度量：孟赛尔表色系 GY Y G YR BG R 相邻色调间逐步过渡 相同黄色Y 也有偏红黄 YR和偏绿黄GY 之分 B RP 每种色调分为10个等级， Y 主色调和中间色调的等 级均为 5 。10Y 表示黄 R 与黄绿的中间色，即淡 黄绿色。 P G PB 明度 B 彩度 P 27 孟赛尔表色系(镜像) 28 颜色产生的心理效果 情绪感觉 积极色：暖色调＋高亮度 消极色：冷色调＋低照度 温度感觉：红热蓝冷，主观温差效果 可达3~4℃ 大小轻重感觉：明度影响。高明度者 大而轻，低明度小而重 29 颜色产生的错觉 33 30 37 30 视觉功效 人借助于视觉器官完成视觉作业的效能称 视觉功效。一般用完成作业的速度和精度 来定量评价视觉功效。 主要与视角、照度、亮度对比系数和识别 时间有关。 研究方法：实验研究 识别几率：正确识别的次数与识别总次数 的比率 31 视觉功效曲线 条件：识别几率95％ 32 舒适光环境评价 适当的照度或亮度水平 合理的照度分布 舒适的亮度分布：适合的亮度对比很重要 宜人的光色：影响对物体颜色的判别和人 的心理感觉 无眩光干扰 光的方向性：使被视物体有立体感 33 适当的照度或亮度水平 亮度到一定程度 后，反而会超过眼 睛的适应范围。当物 体亮度超过一定值 时人眼会感到刺眼， 不能工作。对于人 眼视力而言，存在着 最佳亮度。 34 合理的照度分布 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最大值、最小值与平均 值的相差不超过1/6是可以接受的。 照度均匀度＝工作面最低照度/工作面最高照度 人工照明，照度均匀度需大于1/3；自然采光， 照度均匀度需大于1/10。 35 有突出亮的面 36 有突出暗的面 37 亮度分布适宜 38 眩光 当视野内出现高亮度的光时, 使眼睛不能完 全发挥机能，这种现象成为眩光。 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。 39 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。 40 41 光污染 玻璃幕墙的反 射眩光不仅会 影响司机视力， 而且还会干扰 附件建筑的室 内光环境。 42 人工照明 特点 控制方便 不受光气候影响 需要消耗大量电能 不受建筑设计影响 增加夏天空调负荷 43 人工光源 种类 热辐射光源：白炽灯、卤钨灯 气体放电光源：荧光灯、节能灯、高 压汞灯、金属卤化物灯、高/低压钠灯 光谱特点 非连续 多峰值 44 白炽灯 光效低 色偏红 灯丝高温(2300 K以上) ，高亮 度，有眩光 寿命短 无频闪现象 调光性好 耐频繁开关 45 白炽灯的光谱特性 46 卤钨灯 光效和寿命均高于白炽灯，灯丝温度很高 47 荧光灯 光效较高，寿命长，显色性好，表面温度低 所谓节能灯就是紧凑型荧光灯，33~58 lm/W 48 荧光高压汞灯 光效高 寿命长 显色性差 49 气体放电 光源光谱 低压钠灯的主要 波长为589nm的黄光， 最接近555nm，故发 光效率最高。 50 不同光源的光效 表面温度 小空间 适用 51 照明方式 一般照明 局部照明 分区一般照明 混合照明 52 局部照明(混合照明) 53 分区照明(分区一般照明) 54 人工照明设计中的灯具 利用系数Cu 影响因素 灯具类型 灯具间隔 各内壁面反射率 房间的长宽 灯具到工作面的距离 实用形式：查手册中的表格 55 天然采光 天然采光特点 节能：104 lm /W 视觉效果好，不易导 致视觉疲劳 健康，连续的单峰值 光谱满足人的心理和 生理需要 难度大，受光气候条 件和建筑设计制约 采光与遮阳有矛盾 56 有无采光窗的心理影响 57 人工照明效果 58 天然采光效果 59 天然采光原理 天然光＝直射光＋散射光。全云天只有扩散光。 直射光随太阳高度角增加而增加 扩散光：散射光在太阳高度角较小时变化快， 到太阳高度角较大时变化小。 最不利天气：全云天 晴天室外照 度变化 60 天然采光标准 采光系数C 定义：室内某一点的天然照度 Ei 与同一时间 的室外照度Eo 的比值。 C=(Ei/Eo)×100% 在采光标准中，室外照度是指全云天时的天 空扩散光。 采光系数标准值：不同情况的视看对象要求 不同的照度。一般将视觉工作分为1~5级，各 级的天然照度最低值分别为250、150、100、 50 和25 lx 。 61 天然采光标准 下面的采光系数乘以各光气候分区的光气候 系数K，即可得各分区的采光系数。 采光系数标准值 d0.15 0.15<d 0.3 0.3<d 1.0 1.0<d 5.0 d>5.0 250 150 100 50 25 5 3 2 1 0.5 350 250 150 100 50 7 5 3 2 1 62 中国光气候分区与光气候系数 室外总照度年 平均值31.46 lx K=0.9 室外总照度年 平均值21.18 lx K=1.2 III K=1.0 IV III II K=0.85 V III I V IV K=1.1 III 63 侧窗采光 64 侧窗采光 用于有外墙的房间 65 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。 66 窗台高度不变,窗的上沿高度降 低时的室内照度的变化，近窗处照度 变小，离窗远处照度的下降明显。 67 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 68 不同侧窗位置对室内照度的影响 平 面 图 剖 面 图 69 天窗采光 用于内区、中庭、顶层 70 天然采光控制：节能舒适 仅靠门窗天然采光的局限 天然采光受建筑设计制约 过强的光照导致不舒适 控制天然采光的方法 百页控制 光电玻璃控制 反射镜控制 天然采光与人工照明联合控制 71 百 页 控 制 72 光电玻璃：根据室内照 度改变玻璃透光率 电解质层 被动反电极 锂离子 主动电光层 73 利用反射镜：香港汇丰银行 74 利用反射镜：香港汇丰银行 75 利用反 射镜照 射内区 76 利用反射镜 照射内区 77 英国议会大厦 利用反光镜和 吊顶反射 78 百页照明联合控制： 东京电力会社 可调灯光照度控制 Optimum brightness (750 lx) 自控可 调百页 Day light usage Lighting 79 屋面的日射 测试装置 （辐射量、 高度角） 能耗比例 常规照明控制 优化照度管理 自然、人工联 合照明控制 时间 午间照 度控制 百页、照明 联合控制 80 思考题 人工照明与天然采光在舒适性和建筑能耗 方面有何差别？ 光通量与发光强度、亮度与照度的关系与 区别是什么？ 在照明设计中要达到节能的目的需要考虑 哪些因素？ 在天然采光设计中主要考虑的是太阳直射 光、散射光还是总辐射光通量？为什么？直 射光和散射光有何区别？ 81