建筑物理课件光学2

2020/2/26第八章建筑采光1河北工程大学建筑学院孙凤明2020/2/26第八章建筑采光2第八章天然采光(NaturalLightinArchitecture)第一节光气候和采光标准第二节采光口第三节采光设计第四节采光计算2020/2/26第八章建筑采光3第一节光气候和采光标准一、光气候(daylightclimate)所谓光气候就是由太阳直射光、天空光和地面反射光形成的天然光平均状况。下面简要介绍有关光气候知识。2020/2/26第八章建筑采光4（一）天然光的组成和影响因素太阳是天然光（Daylight）的光源。日光（Sunlight）在通过地球大气层时被空气中的尘埃和气体分子扩散，结果，白天的天空呈现出一定的亮度，这就是天空光（Skylight）。天然光是直射日光与天空光的总合。2020/2/26第八章建筑采光5地面照度来源于日光和天空光，其比例随太阳高度与天气而变化。通常，按照天空中云的覆盖面积将天气分为三类：（1）晴天——云覆盖天空的面积占0～3／10（2）多云天——云占4/10～7/10；（3）全阴天——云占8/10～12020/2/26第八章建筑采光61、晴天晴天时，地面照度主要来自直射日光；随着太阳高度角的增大，直射日光照度在总照度中占的比例也加大。全阴天则几乎完全是天空扩散光照明。多云天介于二者之间，太阳时隐时现，照度很不稳定。2020/2/26第八章建筑采光7图8－1晴天室外照度变化情况2020/2/26第八章建筑采光8晴天天空的亮度分布相当复杂，与太阳高度和方位两个因素有关。晴天同阴天相反，除去太阳附近的天空最亮以外，通常在地平线附近的天空要比天顶亮；与太阳相距约一90°高度角的对称位置上，天空亮度最低。图8－2是典型的晴天天空亮度分布图（符合CIE标准晴天天空亮度分布函数，设Lz＝1）。2020/2/26第八章建筑采光9图8－2晴天天空亮度分布（太阳高度角40°，方位角0°）2020/2/26第八章建筑采光10图8－3晴天天空亮度分布剖面（太阳高度角40°，方位角0°）2020/2/26第八章建筑采光112、全云天这时天空全部为云所遮盖，看不见太阳，因此室外天然光全部为扩散光，物体后面没有阴影。这时地面照度取决于：（1）太阳高度角（2）云状（3）地面反射能力（4）大气透明度2020/2/26第八章建筑采光12这种天空在同一高度的不同方位上亮度相等，但是从地平面到天顶的不同高度上有以下的亮度变化规律。)3sin21(zLLLθ－－仰角为的天空的亮度（cd/m2）；Lz－－天顶亮度（cd/m2）；－－计算天空亮度处的高度角（仰角）。2020/2/26第八章建筑采光13图8－3阴天天空亮度分布2020/2/26第八章建筑采光14从上式推算，天顶亮度约为地平线附近天空亮度的3倍。由于阴天的亮度低，亮度分布相对稳定，而且，朝向对室内照度影响小，因而使室内照度较低，照度分布也较稳定。这时，室外地面照度（以lx为单位）在数值上等于高度角为42o处的天空亮度（以asb为单位），即：E地(lx)＝L42(asb)2020/2/26第八章建筑采光15)(972mcdπL(lx)Ez地再由立体角投影定律可以导出天顶亮度与地面照度在数量上的关系为：同样方法还可导出阴天的室外垂直面照度为：E垂＝E地×0.396图8－3示出平均亮度相等的两种天空亮度分布的区别。2020/2/26第八章建筑采光16（二）我国光气候概况我国地域辽阔，各地光气候有很大差别，同一时刻南北方的太阳高度相差很大。从日照率来看，由北、西北往东南方向逐渐减少，而以四川盆地为最低。从云量来看，大致是自北向南逐渐增多，新疆南部最少，华北、东北少，长江中下游较多，华南最多，四川盆地特多。2020/2/26第八章建筑采光17从云状来看，南方以低云为主，向北逐渐以高、中云为主。这些特点说明，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光为主。图8－4是我国135个点的照度数据绘制成的全国年平均照度分布图。图8－5为重庆室外地面照度实测值（klx）。表2.2-1是相应图8－5的数值表。2020/2/26第八章建筑采光18图8－4全国年平均总照度分布图(klx)2020/2/26第八章建筑采光19图8－5重庆室外地面照度实测值（klx）（a）总照度；（b）扩散光照度2020/2/26第八章建筑采光20重庆室外散射照度与总照度之比表8－12020/2/26第八章建筑采光21二、采光标准我国于2001年11月1日起实施的《建筑采光设计标准(Standardfordaylightingdesignofbuildings)》（GB/T50033-2001）是采光设计的依据。下面介绍该标准的主要内容：2020/2/26第八章建筑采光221．采光系数（DaylightFactor）%100wnEEC采光系数（C）是室内给定水平面上某一点的由全阴天天空漫射光所产生的照度（En）与同一时间同一地点，在室外无遮挡水平面上由全阴天天空漫射光所产生的照度（Ew）之比。两个照度值均不包括直射日光的作用。采光系数的符号为C，以百分数表示。于是：2020/2/26第八章建筑采光23用采光系数这一概念，就可根据室内要求的照度换算出需要的室外照度，或由室外照度值求出当时的室内照度，而不受照度变化的影响，以适应天然光多变的特点。2020/2/26第八章建筑采光242．采光系数标准值(standardvalueofdaylightfactor)前面已经介绍，不同的视看对象要求不同的照度，而照度在一定范围内是愈高愈好，照度愈高，工作效率愈高。但高照度意味着投资大，故它的确定必须即考虑到视觉工作的需要，又照顾到经济上的可行性和技术上的合理性。2020/2/26第八章建筑采光25采光标准综合考虑了：视觉试验结果；已建成建筑物的采光现状；采光口的经济分析；我国光气候特征；以及我国国民经济发展等因素，将视觉工作分为Ⅰ～Ⅴ级，提出了各等级视觉工作要求的天然光照度最低值为250、150、100、50、25lx。我们把室内完全利用天然光进行工作时的室外天然光照度最低值称为“临界照度”，也就是室内开始需要采用人工照明时的室外照度值。2020/2/26第八章建筑采光26经过不同临界照度值对各种费用的综合比较，还考虑到开窗的可能性，我国的采光标准规定临界照度值为5000lx。确定这一值后就可将室内天然光照度换算成采光系数。《标准》规定：采光系数标准值的选取，应符合下列规定:1侧面采光应取采光系数的最低值Cmin；2顶部采光应取采光系数的平均值Cav；3对兼有侧面采光和顶部采光的房间，可将其简化为侧面采光区和顶部采光区，并应分别取采光系数的最低值和采光系数的平均值。2020/2/26第八章建筑采光27由于不同的采光口类型在室内形成不同的光分布，故采光标准按不同的采光口类型，分别提出不同的要求。顶部采光时，室内照度分布均匀，采光系数采用平均值。侧面采光时，室内光线变化大，故采光系数采用最低值。见下表：2020/2/26第八章建筑采光28表8－2视觉作业场所工作面上的采光系数标准值2020/2/26第八章建筑采光29从表中可看出，采光系数标准值的高低是根据视看对象的大小和采光口类型而定的。在《建筑采光设计标准》中，采光系数标准值是按房间的工作性质来确定的，采光系数标准值见教材P166。2020/2/26第八章建筑采光30各类建筑的采光系数表1居住建筑的采光系数标准值采光等级房间名称侧面采光采光系数最低值Cmin(%)室内天然光临界照度(lx)IV起居室(厅)、卧室、书房、书房150V卫生间、过厅、楼梯间、餐厅0.5252020/2/26第八章建筑采光31表2办公建筑的采光系数标准值采光等级房间名称侧面采光采光系数最低值Cmin(%)室内天然光临界照度(lx)Ⅱ设计室、绘图室3150Ⅲ办公室、视屏工作室、会议室21001V复印室、档案室150V走道、楼梯间、卫生间0.5252020/2/26第八章建筑采光32表3学校建筑的采光系数标准值采光等级房间名称侧面采光采光系数最低值Cmin(%)室内天然光临界照度(lx)Ⅲ教室、阶梯教室、实验室、报告厅2100V走道、楼梯间、卫生间0.5252020/2/26第八章建筑采光33表4图书馆建筑的采光系数标准值采光等级房间名称侧面采光顶部采光采光系数最低值Cmin(%)室内天然光临界照度(lx)采光系数平均值Cav(％)室内天然光临界照度(lx)Ⅲ阅览室、开架书库2100————1V目录室1501.575V书库、走道、楼梯间、卫生间0.525————2020/2/26第八章建筑采光34表5旅馆建筑的采光系数标准值采光等级房间名称侧面采光顶部采光采光系数最低值Cmin(%)室内天然光临界照度(lx)采光系数平均值Cav(％)室内天然光临界照度(lx)Ⅲ会议厅2100————1V大堂、客房、餐厅、多功能厅1501.575V走道、楼梯间、卫生间0.525————2020/2/26第八章建筑采光35表6医院建筑的采光系数标准值采光等级房间名称侧面采光顶部采光采光系数最低值Cmin(%)室内天然光临界照度(lx)采光系数平均值Cav(％)室内天然光临界照度(lx)Ⅲ诊室、药房、治疗室、化验室2100————1V候诊室、挂号处、综合大厅、病房、医生办公室(护士室)1501.575V书库、走道、楼梯间、卫生间0.525————2020/2/26第八章建筑采光36表7博物馆、美术馆建筑的采光系数标准值采光等级房间名称侧面采光顶部采光采光系数最低值Cmin(%)室内天然光临界照度(lx)采光系数平均值Cav(％)室内天然光临界照度(lx)Ⅲ文物修复复制、门厅工作室、技术工作室210031501V展厅1501.575V库房走道、楼梯间、卫生间0.5250.7352020/2/26第八章建筑采光373、光气候分区由于我国各地光气候差别太大，若采用同一采光标准值显然是不合理的，故采光标准将全国划分为Ⅰ～Ⅴ个光气候区（图8－6）。在《建筑采光设计标准》中所列采光系数标准值适用于Ⅲ类光气候区。其它地区应按它所在不同的光气候区，选择相应的光气候系数（光气候系数见表8－3）。2020/2/26第八章建筑采光38图8－6光气候分区2020/2/26第八章建筑采光39光气候区ⅠⅡⅢⅣⅤK值0.850.901.001.101.20室外临界照度值（lx）60005500500045004000各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。表8－3光气候系数2020/2/26第八章建筑采光404、照度均匀度视野内照度分布不均匀，易使人眼睛疲乏，视功能下降，影响工作效率。因此，要求房间内的照度分布有一定的均匀度（即在假定工作面上的采光系数最低值与平均值之比；也可认为是室内照度最低值与室内照度平均值之比）。2020/2/26第八章建筑采光41采光标准提出顶部采光时，Ⅰ～Ⅳ级采光等级的采光均匀度要求不得小于0.7。侧面采光时，由于室内照度不可能做到均匀，以及顶部采光时，Ⅴ级视觉工作需要的开窗面积小，较难照顾采光均匀度，故此时对均匀度未作规定。2020/2/26第八章建筑采光425、眩光限制在侧窗采光房间里，窗口位置较低，对于视线处于水平的工作场所极易形成不舒适眩光。标准提出可采取以下措施来减少窗口眩光：2020/2/26第八章建筑采光43作业区应减少或避免直射阳光；工作人员的视觉背景不宜为窗口；可采取室内外遮挡设施来减少窗亮度或减少窗的视域；窗结构的内表面和窗周围的内墙面宜采用浅色饰面；具体控制侧窗眩光的处理方法见图8－7。标准还提出要求采取措施来防止反射眩光。2020/2/26第八章建筑采光44图8—7控制侧窗眩光的细部处理a----窗台做成斜面；b----高反射率的顶棚，并且利用室外反射提高顶棚亮度，减小对比；c----用半透明百叶减小高天空亮度区（2），同时仍然可以看出（1）；d----利用人工照明照亮窗周围的墙面，以减小对比，减弱眩光。2020/2/26第