《建筑环境学》第六章.ppt

第六章,6-1光的性质与度量6-2视觉与光环境6-3天然采光6-4人工照明,主要内容,6-1,一、基本光度单位及相互关系二、光的反射与透射,第六章 建筑光环境,光的性质：光是以电磁波形式传播，并能被人眼所感到的那一部分辐射能，波长范围为380780nm，不同波长的光在视觉上形成不同的颜色;红色:0.780.63m;橙色:0.630.59m;黄色:0.590.56m;绿色:0.560.49m;蓝色:0.490.45m;紫色:0.450.38m 光的三层含义:可见光 必须要有良好的视觉器官;三是二者相互作用引起的视觉效果,第一节 光的性质与度量,6.1.1基本光度单位及相互关系,一、光通量：1、辐射通量(辐射功率):单位时间内辐射体辐射的能量称辐射通量。2、光通量：光源在单位时间内发射出的以人眼感觉为基准的能量，换句话说，就是在可见光范围内辐射出的并被人眼感觉到的辐射通量。3、光通量物理意义及表示方法：光通量表明了光源的发光能力。光通量用表示，单位为流明（lm)。,二、发光强度,1、定义：光通量的空间密度，称发光强度。2、发光强度物理意义及表示方法：发光强度表征光源发出的光通量在空间的分布状况。发光强度用I表示 单位为坎德拉（cd)。,有一个空心球体，半径为r；球心O处有一点光源；球表面ABCD的面积为S；此点光源向S面上发出 lm的光通量；S面在球心O形成的角称为立体角；立体角用表示，=S/r2（球面度Sr）设点光源在某方向上的无限小立体角d内发出的光通量为d，则该方向上的发光强度为 I=d/d；在该方向上的发光强度平均值为 I=/(坎德拉cd)；即1cd=1lm/1Sr,表示:在1球面度立体角内均匀发射出1lm的光通量 例:一只裸露的40W的白炽灯,光通量=350lm,求其平均发光强度.解:I=/=350/4=28cd,三、照度,1、定义：对于被照面而言，用落在其单位面积上的光通量多少的数值来表示它被照射的程度，称照度。2、照度的物理意义及表示方法：照度表征被照面上的光通量密度。照度用E表示。提示：照度可直接相加，几个光源同时照射被照面时，其上的照度为单个光源分别存在,四、发光强度和照度的关系,如图所示：光线垂直入射到被照表面时；表面S1、S2、S3 距点光源 分别为r、2r、3r，在光源处 形成的立体角相同，则表面积S1、S2、S3 的面积比为它们距光源的距离平方比，即1：4：9。,照度E=/S 发光强度I=/立体角=S/r2,E=I/r2,结论：某表面的照度E与点光源在这方向的发光强度I成正比，与距点光源的距离r的平方成反比。此为计算点光源产生照度的基本公式，称距离平方反比定律,当光线不是垂直入射到被照表面，即入射角不为零时；,如图所示：S2与S1 两平面，成角；S1 的法线与光线重合，S2 的法线与光源射线成角；,E2=E1cos,又E1=I/r2,结论：表面法线与光线成角处的照度，是随它至点光源的距离平方成反比，与光源在方向的发光强度和入射角的余弦成正比。提示：距离平方反比定律适用于点光源。当光源尺寸小于至被照面距离的1/5时，该光源可被视为点光源,例：,如图所示：在桌上2m处挂一40W白炽灯，光通量=350lm,求灯下桌面点1处照度 E1，及点2处照度E2 解:I=/=350/4=28cd,E2=5.37lx,五、亮度,1、物理亮度：（1）定义：物体在视线方向单位面积上发出的发光强度。具体的说，就是物体在视线方向上的发光强度越大，该物体表面在视线方向的亮度越大。（2）表达式：其中:发光面法线与视线方向夹角即该物体亮度与该物体在视线方向上的发光强度成正比,与该物体在视线方向上的投影面积成反比。,物理亮度的常用单位为:坎德拉每平米(cd/);又称尼脱(nt)它表示1表面上,沿法线方向发出1坎德拉的发光强度,2、主观亮度：,结论:相同的物体表面亮度,在不同的环境亮度时,产生不同的亮度感觉.,定义：人们主观感受到的物体明亮程度。与物体的物理亮度有关；与我们所处的环境的明暗程度有关；,6.1.2光的反射与透射,光在传播过程中,遇到介质时(如玻璃、空气、墙）,会发生反射、透射与吸收现象。若入射光通量为；设被反射部分为；被吸收部分为；被透射部分为；=+=1 光通量经过介质反射和透射后，光的分布变化取决于：材料表面的光滑程度；材料内部分子结构,（一）定向反射和透射材料,1、定向反射：光线照射到表面很光滑的不透明材料上，会出现定向反射现象。（如：玻璃镜等）有如下特点：光线入射角等于反射角；入射光线、反射光线及反射表面 的法线处于同一平面；,2、定向透射：,光线射到透明材料上，会产生定向透射。如果材料的两个表面彼此平行，则透过材料的光线方向与入射方向保持一致。（如：平面透明玻璃）,（二）均匀扩散反射、透射材料,半透明材料使入射光线发生扩散透射；表面粗糙的不透明材料使入射光线发生扩散反射，使光线分散在更大的立体角范围内。1、均匀扩散材料：定义：将入射光线均匀地向四面八方反射或透射，并且，从各个角度看，其亮度完全相同，看不见光源形象，这类材料被称为。均匀扩散材料包括：均匀扩散反射材料：如：氧化镁、石膏、及大部分无光泽、粗糙的建筑材料。均匀扩散透射材料：如：乳白玻璃、半透明塑料等。常将它们用于：灯罩、发光天棚处，以降低光源亮度，减少刺眼程度。,三、定向扩散反射、透射材料,同时具有定向和扩散两种性质 这种材料在定向反射(或透射)方向,具有最大的亮度,而在其他方向也有一定亮度.,具有这种性质的反光材料包括：光滑的纸、油漆表面等 透光材料包括：磨砂玻璃等,均匀扩散材料表面的亮度：,对于反射材料：L=E/(cd/)对于透射材料：L=E/(cd/),一、眼睛与视觉特征 二、颜色对视觉的影响,主要内容,6-2,6.2.1眼睛与视觉特征(一)眼睛的构造与亮度阈限,第二节 视觉与光环境,2、亮度阈限 在视觉研究中，将背景亮度Lb=0时，眼睛所能识别的临界亮度称作视觉的绝对光阈。里科定律：亮度面积=常数 邦森-罗斯科定律：亮度,中心视野：在视轴1范围内，具有最高的视觉灵敏度，能分辨最细小的细部，称。从视野中心往外30范围,视觉清晰度最好,称“近背景视野”,这是观看物体总体时最有利的位置.,（二）视野和视场,1、视野：观察者正视前方时，头和眼睛都保持不动时，这样所察觉到的空间范围称。视野分：单眼视野：水平方向180;垂直方向：向上60,向下70 双眼视野：水平方向120;垂直方向：向上60,向下70,2、视场：,观察者头部不动但眼睛可以转动，这样所看到的空间范围称。(三)临界亮度对比度与对比敏感度 对比即为，观看对象与和其背景之间的亮度差异。差异越大，视度越高。用亮度对比度表示为：C=L/Lb 式中：L物件和背景的亮度差 Lb背景的亮度,视觉敏锐度（医学上称视力）：人凭借视觉器官感知物体的细节和形状的敏锐程度。,（五）视觉速度：1、识别时间：从发现物体到辨别物体细节需要一定的时间，称。2、视觉速度：识别时间的倒数，称。（六）视觉适应,（四）视觉敏锐度,视角:物体的大小对眼睛形成的张角，称为视角,6.2.3视觉功效与舒适光环境要素,一、视觉功效 人借助于视觉器官完成视觉作业的效能,称。它主要取决于作业的大小、形状、位置和所处的光环境，主要与视角、照度、亮度对比系数和识别时间有关。识别几率在95%时，照度、视角、亮度对比系数三者之间的关系。,结论：(1)同一曲线（视角）表明对比与亮度的关系。对比下降需要增加照度才能保持相同视度。(2)不同曲线表示不同视角，物件越小，需要的照度越高。(3)天然光比人工光更有利于视度的提高。,(二)合理的照度分布规定照度的平面称参考面，即工作面，通常为0.70.8m高的水平面。在荧光灯、或白炽灯的照明下，桌面照度为7501700lx时，满意程度最高；（三）舒适的亮度分布：可以减少亮度对比使环境柔和、统一。（四）宜人的光色：,二、舒适光环境要素与评价标准,（一）合适的照度或亮度 物体亮度为3.1810-6 cd/,人眼能够感知,称最低亮度阈;物体亮度为3.18103 cd/,人眼具有最大灵敏度;物体亮度为6.32104 cd/,视觉失效,称最高亮度阈;,对于光源的色温，色温越高，色表越冷；反之，亦然。,结论:随着色温的升高,所要求的舒适照度也相应提高.,（五）避免眩光干扰,眩光是当视野内出现高亮度或过大的亮度对比时，引起视觉上的不舒适或视觉疲劳，这种高亮度或亮度对比称眩光。按其形成方式，眩光可分为：直接眩光；反射眩光；光幕眩光；亮度对比形成的眩光；明适应不足形成的眩光等。（六）光的方向性,一、自然光源与人工光源 二、自然采光原理与设计,主要内容,6-3,6-3 天然采光,（一）天然光与人工光的视觉效果 在相同的照度条件下，人眼在天然光下比在人工光下有更高的灵敏度。（二）天然光和人工光的光谱能量分布特征,自然光源与人工光源,晴天室外天然光：,太阳直射光,太阳散射光,1)晴天:指天空无云或很少云,即云量占整个天空面积的30%以下的天气。,a、太阳高度角；b、大气透明度:,影响室外地面照度的气象因素:,全云天,太阳散射光,6.3.2自然采光原理与设计,（一）我国的光气候特点与光气候分区 光气候：光气候指影响室外天然光变化的各种自然因素的总称。1、天然光的组成和影响因素,6-3 天然采光,2）、全云天,天空全部被云层所遮盖的天气称全云天或全阴天。此时，室外天然光全部为扩散光，物体后无阴影。全阴天地面照度取决于：太阳高度角。云状。不同的云组成成分不同，对光线的影响不同。云状可分低云；高云。地面反射能力。如：地面积雪时，扩散光照度可比无雪时提高达一倍以上。大气透明度。,(二)不同采光口形式的特征及其对室内光环境的影响,1、侧窗 它是在房间的一侧或两侧墙上开的采光口，是最常见的一种采光形式。适用场合：用于进深 不大的房间采光。如：教室、住宅、办公室等 特点：构造简单、布置方便、造价低廉；光线具有明确的方向性，利于形成阴影；可通过它看到外界景物，扩大视野；由于窗位置低，人眼易看到明亮的天空，易造成眩光；,6-3 天然采光,6-3 天然采光,2、天窗,利用房屋屋顶设置的采光口称天窗，这种采光方式称天窗采光或顶部采光。适用场合：大型工业厂房和大厅房间。特点：采光效率高，约为侧窗的8倍；照度均匀性较好；很少受到室外的遮挡；,组成:由装在屋架上的天窗架和天窗架上的窗扇组成。窗扇可作成垂直或倾斜，窗扇可开启，起到通风的作用。特点：采光特性和高侧窗相似，眩光小，便于组织通风。在跨中的照度最大,而柱子处的照度最小。适用场合：适用于中等精密工作，以及室内产热量大或有害气体时，较为适宜。,（2）锯齿形天窗,特点：锯齿形天窗为单面顶部采光，由于倾斜天棚的反光，采光效率比矩形天窗要高；在采光系数相同情况下，锯齿形天窗面积可少1520%光线的均匀性好，方向性强。因为是单向采光，则将采光口朝北可以避免直射光，可以防止眩光，不致影响车间的温湿度调节。建筑造价较高,6-3 天然采光,（3）平天窗,平天窗在屋顶上直接开洞，这样的采光口称；一般，透光材料选用（钢化玻璃、塑料板等）。特点：构造简单，施工方便，造价低；采光效率高，为矩形天窗的22.5倍；采光口的位置布置灵活，形式可以多样；大量阳光直射室内，易产生眩光；平天窗表面冬季易结露；外表面易污染，难于清洗，影响透光性。,6-3 天然采光,6-3 天然采光,（三）不同用途建筑对采光口形式的要求与采光口选择,1)、对于不允许阳光直射的房间：如：纺织车间；常用锯齿形天窗为采光口，使射入室内阳光最少。2、对于有通风要求的房间：如：展览馆建筑：主要以采光为主，通风次之，可选用高侧窗或平天窗；如：有大量余热或有害气体产生的车间，矩形天窗通风效果最好。3、有保温隔热的房间 4、有爆炸危险的房间,6-3 天然采光,采光设计基本步骤：,根据生产或工艺要求，选择一种或几种采光口形式；确定采光口位置，及可能开设窗口的面积（尽可能采用侧窗，侧窗面积不足时用天窗补充）；根据工业企业采光设计标准（GB50033-91）规定的窗地比，估算采光口尺寸；布置采光口,人工光源照明方式照明计算,主要内容,6-4,分为两大种类:热辐射光源:靠通电加热钨丝,使其处于炽热状态而发光；气体放电光源:靠放电产生的气体离子发光；（一）热辐射光源 1、普通白炽灯：原理：是用一种利用电流通过钨丝所产生的高温而发光的热辐射光源。特点：发光效率低，仅1220lm/W左右，只有3%左右的电能转化为光能 与天然光相比，光色偏红；,人工光源,寿命短（1000h）；玻壳温度高，（可达250以上）；无频闪现象；开关频繁程度对寿命影响小；体积小；构造简单；价格低；使用方便等；适用场合：不允许有频闪现象的场合；开关频繁的场所,2、卤钨灯 构造及原理：特点：发光效率和光色比白炽灯好,发光效率约为20lm/W以上 寿命比白炽灯长,约1500h;适用场合:同白炽灯,(二)气体放电光源,荧光灯：原理与构造：特点：发光效率高，一般达45lm/W，比白炽灯高3倍左右；由于荧光灯发光面积大，故表面亮度低，光线柔和，即使不用灯罩，也可避免强烈眩光出现；光色好。可根据不同的荧光物质成分，产生不同的光色；寿命长，为20008000h；有频闪现象 适用场合：广泛用与教室、办公室、医院病房、商店等,2、荧光高压汞灯,原理：与荧光灯相同。构造：管内工作压力为15个大气压，比荧光灯高得多，故称荧光高压汞灯。特点：光效高，一般达50lm/W左右；寿命长，为5000h；显色性差，主要发蓝、绿光适用场合：常用于街道、施工现场和不需要认真分辨颜色的大面积照明场所,3、金属卤化物灯：,原理与构造：与高压汞灯相似,区别在于此类灯的内管充有卤化物、汞蒸气、惰性气体等，外壳与内管之间充氮或惰性气体，外壳不涂荧光物质。由电子激发金属原子,直接发出与天然光相近的可见光.特点：光效高，一般达80lm/W以上；光色好，单灯功率大寿命短，一般不超过1000h；适用场合：常用于高大厂房和室外运动场照明。,4、低压钠灯,原理与构造：利用在低压钠蒸气中放电，钠离子被激发而产生波长主要在589nm的黄光。特点：光效高，一般达140lm/W以上，最高达300lm/W；光谱单一，显色性差。在烟雾中，难以形成光幕，透视性好,(或透雾性很强）。适用场合：道路照明和灯塔的指示灯和航道，机场跑道照明，以获得高能见度和节能效果,5、高压钠灯,原理与构造：高压钠灯是利用在高压钠蒸气中放电时，发出可见光的特性制成的。特点：此灯的光谱单一，发出的是单色光，主要集中在黄绿光范围内；光效最高，寿命最长；透雾能力强适用场合：街道、道路照明，高大厂房等,（三）照明系统的节能效益,综合天棚：如，在空调系统中，将照明和回风功能相结合的灯具，称空调照明器。回风管与灯具联系起来，回风经灯具进入回风管，回风系统可带走照明所产生的热，减小了空调负荷，又可使荧光灯处于最佳工作状态。,照明方式,(一)一般照明 定义:在工作场所内,以照亮整个工作面为目的的照明方式称一般照明。特点：灯具均匀布置在被照面上空，在工作面上形成均匀的照度。适用场合：对光的投射方向没有特殊要求的场所 在工作面没有特别需要提高视度的工作点 工作点很密或不固定的场所。如，教室等,（二）局部照明定义:指在工作点附近，专门为照亮工作点而设置的照明装置适用场合：设置在照度高或对光线方向性有特殊要求处。如：车间内的车床灯，台灯，商店柜台内射灯等提示：该方式一般不单独使用（三）混合照明在同一场所内，既有一般照明，又有局部照明。适用：用于要求高照度或要求有一定的投光方向，或工作面的固定点分布较稀疏的场所。如，大型商场，图书馆，工业厂房，等等,