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1、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,2,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,3,90年代末上海市公共建筑的一次能源消耗比例,4,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,5,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(
2、波长380780nm)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。,6,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),7,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)。单位：坎德拉(candela,cd),ds,8,光通量相同，发光强度却不同,9,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
3、照射的程度。表达式：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。,照度 E,10,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：EnI/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。,r,11,照度,12,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 5
4、0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 2000,13,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
5、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！,14,亮度和照度有何区别？照了不一定亮！,照度相同,吸光材料，亮度低,反光材料，亮度高,15,亮度表达式,当量面积 dScos,dI,16,光源的亮度与被照面的照度关系,EL sin Acos/r2,17,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,18,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,反光和透光材料,19,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
6、亮度，其它方向也有一定亮度 光滑的纸 油漆表面 磨砂玻璃,反光和透光材料,20,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。,21,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
7、力,22,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,23,视野和视场,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。,24,视觉特征描述,亮度对比度,亮度对比度对人眼看物体的清晰程度的影响,25,视觉特征描述,视角 视觉敏锐度：刚刚能分辨的视角的倒数,26,视觉特征描述,视觉适应,27,颜色,度量：孟赛尔表色系 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
8、之分 每种色调分为10个等级，主色调和中间色调的等级均为 5。10Y 表示黄与黄绿的中间色，即淡黄绿色。,28,孟赛尔表色系(镜像),29,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34 大小轻重感觉：明度影响。高明度者大而轻，低明度小而重,30,颜色产生的错觉,333037,31,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,32,视觉功效曲线条件：识别几率95
9、,33,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,34,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。,35,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
10、均匀度需大于1/3；自然采光，照度均匀度需大于1/10。,36,有突出亮的面,37,有突出暗的面,38,亮度分布适宜,39,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。,40,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
11、 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。,41,42,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。,43,人工照明,特点 不受光气候影响 不受建筑设计影响,控制方便 需要消耗大量电能 增加夏天空调负荷,44,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,45,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,46,白炽灯的光
12、谱特性,47,卤钨灯,光效和寿命均高于白炽灯，灯丝温度很高,48,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，3358 lm/W,49,荧光高压汞灯,光效高 寿命长 显色性差,50,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。,51,不同光源的光效,表面温度,小空间适用,52,照明方式,一般照明,分区一般照明,局部照明,混合照明,53,局部照明(混合照明),54,分区照明(分区一般照明),55,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
13、手册中的表格,56,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,57,有无采光窗的心理影响,58,人工照明效果,59,天然采光效果,60,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,61,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
14、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15级，各级的天然照度最低值分别为250、150、100、50 和25 lx。,62,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。,63,中国光气候分区与光气候系数,III,K=0.85,K=1.0,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,K=1.1,V,V,I,II,III,III,III,IV,IV,64,侧窗采光,65,侧窗采光 用于有外墙的房间,66,窗台高度变高时,室内深处的照度变化不大，近
15、窗处的照度变化很大，而且出现拐点。,67,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。,68,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,69,不同侧窗位置对室内照度的影响,平面图,剖面图,70,天窗采光 用于内区、中庭、顶层,71,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,72,百页控制,73,光电玻璃：根据室内照度改变玻璃透光率,被动反电极,主动电光层,
16、电解质层,锂离子,74,利用反射镜：香港汇丰银行,75,利用反射镜：香港汇丰银行,76,利用反射镜照射内区,77,利用反射镜照射内区,78,利用反光镜和吊顶反射,英国议会大厦,79,自控可调百页,可调灯光照度控制,百页照明联合控制：东京电力会社,80,百页、照明联合控制,常规照明控制,优化照度管理,自然、人工联合照明控制,午间照度控制,屋面的日射测试装置（辐射量、高度角）,81,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？,
