建筑光学应用-天然采光.ppt

第6章 建筑光学,本节要点:1.光气候、天空亮度分布和采光系数。2.窗洞口（侧窗和天窗）。3.采光设计。4.采光计算。,6.1 天然采光,从第3章中的视觉功效试验来看，人眼在天然光下比在人工光下具有更高的视觉功效，并感到舒适和有益于身心健康。太阳能是一种巨大的安全的清洁光源，室内充分地利用天然光，就可以起到节约资源和保护环境的作用。,视觉功效曲线图,6.1.1 光气候和采光系数要点：1.天空相对亮度分布。2.我国光气候概况、影响因素、分区和光气候 系数。3.采光系数。,一、光气候所谓光气候，就是由太阳直射光、天空漫射光和地面反射光形成的天然光平均状况。,图 6-1天然光组成,（一）天然光的组成和影响因素 太阳直射光它形成的照度大，并具有一定方向，在被照射物体背后出现明显的阴影；天空漫射光使天空具有一定亮度，它在地面上形成的照度较小，没有一定方向，不能形成阴影；地面反射光太阳直射光和天空漫射光射到地球表面上后产生反射光。,天空中云多少用云量表示：云量划分为010级，它表示天空总面积分为10份，其中被云遮住的份数，即覆盖云彩的天空部分所张的立体角总和与整个天空立体角2之比。晴天云量为03级天。中间天空介于晴天与阴天之间的天空类型。阴天云量为810级天。CIE标准一般天空分为晴天空、阴天空和中间天空三大类，其中每个大类天空各包含5小类不同的天空类型，它们涵盖了大多数实际天空。,1.晴天 天空漫射光照度在太阳高度角较小时（日出、日落前后）变化快，到太阳高度角较大时变化小。太阳直射光照度在总照度中所占比例是随太阳高 度角的增加而较快变大（图6-2），阴影也随之而更明显。,图6-2 晴天室外照度变化情况,实测表明，晴天空亮度分布是随大气透明度、太阳和计算点在天空中的相对位置而变化的，其规律：1）晴天空亮度分布以太阳子午圈（过太阳和天顶的经线）对称；2）最亮处在太阳附近；3）离太阳愈远，亮度愈低，在太阳子午圈上、与太阳成90角达到最低。,图6-4 天空亮度分布（a）无云天,2.阴天 全阴天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漫射光，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。以上四个因素都影响室外照度，而他们本身在一天中也是变化的，必然会使室外照度随之变化，只是其幅度没有晴天那样剧烈。,CIE标准全阴天的天空亮度，则是相对稳定的，它不受太阳位置的影响，近似地按下式变化（6-2）式中 L仰角为 方向的天空亮度，cd/cm2；LZ天顶亮度，cd/m2；计算天空亮度处的高度角（仰角）。,全云天的天空亮度分布规律：1）天空最亮在天顶处；2）天空亮度最小在地平线附近；3）天空亮度分布与太阳位置无关。,图6-4 天空亮度分布（b）全云天；*太阳位置,由于阴天的亮度低，亮度分布相对稳定，因而使室内照度较低，但朝向影响小，室内照度分布稳定。地面照度E地（1x）在数量上等于高度角为42处的天空亮度L42（asb），即（6-3）由式（6-2）和立体角投影定律可以导出天顶亮度LZ（cd/m2）与地面照度E地（1x）的数量关系为：,数值,（二）我国光气候概况 影响室外地面上总照度的主要因素：1）高度角：同一时刻，北方比南方小；2）日照率(太阳出现时数和可能出现时数之比):由北、西北往东南方向逐渐减少，以四川盆地一带最低；3）云量：自北到南逐渐增多，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；4）云状：南方以低云为主，向北方逐渐以高、中云为主；因此天然光构成：南方天空漫射光照度较大，北方和西北以 太阳直射光为主。,低云,高云,重庆市由于多云，且多为低云，故总照度中漫射光照度所占比重很大（见图6-6和表6-1）。它表明室外天然光产生的阴影很淡，不利于形成三维物体的立体感。在设计三维物体和建筑造型时，应考虑这一特点，才能获得好的外观效果。,图6-6 重庆室外地面照度实测值（a）总照度；（b）天空漫射光照度,重庆室外扩散光照度与总照度之比 表6-1,二、光气候分区 我国西北广阔高原地区室外年平均总照度值高达31.46 klx；而四川盆地及东北北部地区则只有21.18 klx，相差达50，故标准根据室外天然光年平均总照度值大小将全国划分为类光气候区。根据光气候特点，按年平均总照度值确定分区系数，即光气候系数K见表6-2。,光气候分区图,三、采光系数 室外照度是经常变化的，这必然使室内照度随之而变，不可能是一固定值，因此对采光数量的要求，我国和其他许多国家都用相对值。这一相对值称为采光系数（C），它是在全阴天空漫射光照射下，室内给定平面上的某一点由天空漫射光所产生的照度（En）与室内某一点照度同一时间、同一地点，在室外无遮挡水平面上由天空漫射光所产生的照度（Ew）的比值（图6-8），即:（6-4）,图6-8 在实验室里用天穹模型确定采光系数示意图,思考题：1.如何从图6-6查出重庆7月份室外天空漫射光照度高于4000lx的延续时间？2.从CIE标准阴天空亮度分布公式中得出哪些规律性？,复习光气候和采光系数主要介绍了：1.CIE标准阴天空亮度分布规律；2.我国光气候概况、影响因数，5个光气候分区和相应的光气候系数；3.采光系数定义。,6.1.2 窗洞口要点：1.窗洞口分类；2.侧面采光和顶部采光的优缺点。,窗洞口示意图,为了获得天然光，人们在房屋的外围护结构（墙、屋顶）上开了各种形式的洞口，装上各种透光材料，这些装有透光材料的孔洞统称为窗洞口（以前称为采光口）。,图6-9 侧窗的几种形式,图6-10 不同形状侧窗的光线分布,一、侧窗 它是在房间的一侧或两侧墙上开的窗洞口，是最常见的一种采光形式，如图6-9所示。侧窗的窗台高约1米，而窗台高2米以上则称为高侧窗。,形式：单侧窗，双侧窗。优点：构造简单、布置方便、造价低廉、光线具有明显的方向 性，有利于形成阴影观看立体物体，通过侧窗可看到外 界景物，有利通风，层数不限。缺点：室内照度离窗愈远愈小，采光均匀度不好。采光特点：1.采光量与采光口面积和形式有关。在采光口面积相等且 窗底标高相同时，正方形窗口采光量最高，竖长 方形次之，横长方形最少。,2.采光均匀性 1）进深方向采光均匀性纵向照度变化剧烈，房间深处照度不足。窗位置高低影响进深方向均匀性。为克服进深照度不足的缺点，可提高窗位置（即开高侧窗）等。,图6-11窗的不同位置对 室内采光的影响,2）横向采光均匀性主要受窗间墙的影响，窗间墙愈宽，横向均匀性愈差。,图6-11窗的不同位置对 室内采光的影响,下面我们分析侧窗的尺寸、位置对室内采光的影响：1)窗上沿高度不变，用提高窗台来减少窗面积 随着窗台的提高，室内深处的照度变化不大，但近窗处的照度明显下降，而且出现拐点（圆圈，它表示这里出现照度变化趋势的改变）往内移,如图6-12(a)所示。,图6-12（a）窗上沿不变，窗台的高低变化对室内采光的影响,2)窗台高度不变，窗上沿高度变化给室内采光分布的影响：这时近窗处照度变小，而且未出现拐点，但离窗远处照度的下降逐渐明显,如图6-12(b)所示。,图6-12（b）窗台不变，窗上沿的高低变化对室内采光的影响,3)窗高不变，改变窗的宽度使窗面积减小 随着窗宽的减小，墙角处的暗角面积增大。从窗中轴剖面来看，窗无限长和窗宽为窗高4倍时差别不大，特别是近窗处。但当窗宽小于4倍窗高时，照度变化加剧，特别是近窗处，如图6-13所示。,图6-13 窗宽度的变化对室内采光的影响,阴天时的情况，这时窗口朝向对室内采光状况无影响。但在晴天，不仅窗洞尺寸、位置对室内采光状况有影响，而且不同朝向的室内采光状况大不相同（图6-14曲线a 和c）。,图6-14 天空状况对室内采光的影响 a晴天窗朝阳；b阴天；c晴天窗背阳,双侧窗在阴天时，照度变化按中间对称分布（图6-15曲线b）。但在晴天时，由于两侧窗口对着亮度不同的天空，因此室内照度不是对称变化（图6-15曲线a），朝阳侧的照度高得多。,图6-15 不同天空时双侧窗的室内照度分布 a晴天；b阴天,随着内墙面与窗口距离的增加，内墙墙面的照度降低，并且照度分布也有改变。离窗口愈远，照度愈低，照度最高点（圆圈）也往下移，而且照度变化趋于平缓（图6-16）。我们还可以调整窗洞高低位置，使照度最高值处于画面中心（图6-17）。,图6-16 距侧窗不同距离内墙墙面照度变化 图6-17 侧窗位置对内墙墙面照度分布的影响,侧窗采光只能保证有限进深的采光要求，一般不超过窗高的二倍；更深的地方宜采用电光源照明补充。图6-19表明侧窗上分别装普通玻璃（曲线1）、扩散玻璃（曲线2）和定向折光玻璃（曲线3），在室内获得的不同采光效果，以及达到某一采光系数的进深范围。,图6-19 不同玻璃的采光效果,为了提高房间深处的照度，在国外还采用倾斜顶棚，以接受更多的天然光，提高顶棚亮度，使之成为照射房间深处的第二光源。除将顶棚做成倾斜外，如果建筑所处地区晴天多，为了尽可能多地利用太阳光，除了沿外墙上设置室内水平反光板外，还在朝南外墙上设置室外水平反光板。,图6-20 某办公室采光方案,小区布置对室内采光也有影响。平行布置房屋，需要留足够的间距，否则挡光严重(图6-23a)。如仅从挡光影响的角度看，将一些建筑转180布置，这样可减轻挡光影响(图6-23b)。,图6-23 房屋布置对室内采光影响,侧窗采光时，由于窗口位置低，一些外部因素对它的采光影响很大。故在一些多层建筑中，将上面几层往里收，增加一些屋面，这些屋面可成为反射面，当屋面刷白时，对上一层室内采光量增大的效果很明显。,图6-24 特殊房屋外形的采光处理方法,二、天窗(一)矩形天窗 矩形天窗实质上是安装在屋顶上的高侧窗。矩形天窗包含纵向矩形天窗、梯形天窗、横向矩形天窗和井式天窗。1.纵向矩形天窗 纵向矩形天窗是由装在屋架上的天窗架和天窗架上的窗扇组成,窗方向垂直于屋架。通常又把纵向矩形天窗简称为矩形天窗。它的窗扇一般可以开启，也可起通风作用。优点：照度均匀，不易形成眩光，便于通风，但采光效率较 低（相对于平天窗来说）。,纵向矩形天窗,适用范围：采光系数平均值最高为5%，用于中等精密工作 的车间，及有通风要求的车间。,矩形天窗的光分布见图6-26。由图可见，采光系数最高值一般在跨中，最低值在柱子处。,图6-26 矩形天窗采光系数曲线,天窗宽度（bmo）对于室内照度平均值和均匀度都有影响。加大天窗宽度，平均照度值增加，均匀性改善。,图6-28 天窗宽度变化对采光的影响,2.梯形天窗 有时为了增加室内采光量，将矩形天窗的玻璃做成倾斜的，则称为梯形天窗。图6-30表示矩形天窗（b）和梯形天窗（a）（玻璃倾角为60）的比较，采用梯形天窗时，室内采光量明显提高（提高约60%），但是均匀度却明显变差。由于玻璃处于倾斜面，容易积尘，污染严重，加上构造复杂，阳光易射入室内，故选用时应慎重。,图6-30 矩形天窗和梯形天窗采光比较,图6-29 矩形、梯形天窗窗地比 和采光系数平均值的关系,3.横向天窗将部分屋面板放在屋架下弦，利用露出的 屋架安装窗扇采光。特点：省去了天窗架，建筑高度降低，结构简化，节省材 料，造价降低。采光效果和矩形天窗差不多。注意：不适用于跨度较小的车间；上弦坡度较大的三角形屋架不适宜作横向天窗。,4.井式天窗利用屋架上、下弦之间的空间，将一些屋面板放在下弦杆件上形成井口，开口处常不装玻璃扇。适用：主要用于热车间起通风作用，采光系数一般在1%以下。,(二)锯齿形天窗 锯齿形天窗属单面顶部采光。特点：采光效率较高,平均采光系数可达到7%，能满足精密工作车间的采光要求，光线具有方向性，采光均匀性比较好。,图6-34 锯齿形天窗朝向对采光的影响,(三)平天窗 在屋面直接开洞，铺上透光材料。特点：结构简单，施工方便，布置灵活，采光效率高,但污染较垂直窗严重。形式：采光板，采光罩，采光带，采光顶棚。注意：1.注意直射阳光进入室内引起眩光；2.南方地区注意室内过热；3.北方寒冷地区注意玻璃内表面在冬季由于温度过 低而产生冷凝水。,图6-38 平天窗的不同做法,图6-36 矩形天窗和平天窗采光效率比较,图6-37 平天窗在屋面不同位置对室内采光的影响,由于防水和安装采光罩的需要，在平天窗开口周围都需设置一定高度的肋，称为井壁。井壁高度和井口面积的比例影响窗洞口的采光效率。图6-39表示平天窗窗洞口长l、宽bc（或圆形窗洞口直径D）、高h和井壁表面光反射比对窗洞口井壁挡光折减的影响。,图6-39 平天窗开口尺度与透光系数的关系,图6-40 井壁倾斜对采光的影响,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，最大为矩形天窗。但从均匀度来看，集中在一处的平天窗最差；但如将平天窗分散布置图6-43（b），则均匀度得到改善。,图6-43 几种天窗的采光效率比较,思考题1.侧面采光和顶部采光各有哪些类型？2.侧面采光有哪些优、缺点？3.在相同条件下，为什么平天窗的采光效率比侧窗高？,复习窗洞口 1.窗洞口分为侧窗和天窗两大类。2.侧窗和天窗采光两者相比各有不同的优、缺点。,6.1.3 采光设计要点：1.采光系数和采光质量标准值；2.采光设计5个步骤。,采光设计的任务在于根据视觉工作特点所提出的各项要求,正确地选择窗洞口形式，确定必需的窗洞口面积，以及他们的位置，使室内获得良好的光环境，保证视觉工作顺利进行。为了在建筑采光设计中，充分利用天然光，创造良好的光环境和节约能源，就必须使采光设计符合建筑采光设计标准要求。采光设计宜采用计算机软件进行，参见第8章。,一、采光标准 建筑采光设计标准（GB/T50033-2001)的主要内容：（一）采光系数标准值 采光系数标准值：a.按作业精确度（识别物件的最小尺寸）确定采 光等级;b.按采光方式，侧窗采光（最低值），顶部采光（平均值）确定天然光照度;c.其他光气候区之室外临界照度为5000lx除以光 气候系数K值。,（二）采光质量 1.采光均匀度 要求房间内照度分布应有一定的均匀度（工业建筑取距地面1m，民用建筑取距地面0.8m的假定水平面上，即在假定工作面上的采光系数的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），故标准提出顶部采光时，级采光等级的采光均匀度不宜小于0.7。,2.窗眩光 侧窗位置较低，对于工作视线处于水平的场所极易 形成不舒适眩光，故应采取措施减小窗眩光：1）作业区应减少或避免直射阳光照射；2）不宜以明亮的窗口作为视看背景，可采用室内外 遮挡设施降低窗亮度或减小对天空的视看立体角；3）宜将窗结构的内表面或窗周围的内墙面做成浅色 饰面。,3.光反射比 为了使室内各表面的亮度比较均匀，必须使室内各表面具有适当的光反射比。室内各表面的光反射比宜符合表6-4的规定。,室内各表面的光反射比 表6-4,二、采光设计步骤（一）搜集资料 1.了解设计对象对采光的要求：(1)房间的工作特点及精密度；(2)工作面的位置；(3)工作对象的表面状况；(4)工作中是否容许直射阳光进入房间；(5)工作区域。,2.了解设计对象的其他要求：(1)采暖；(2)通风；(3)泄爆。3.房间平剖面尺寸及其周围环境概况。(二）选择窗洞口形式(三）确定窗洞口位置及可能开设窗口的面积,(四）估算窗洞口尺寸 根据视觉工作分级和拟采用的窗洞口形式及位置，即可从表6-8查出所需的窗地面积比。,(五）布置窗洞口 1.先定窗高，再定窗宽；2.定窗位置，画出平面与剖面图；3.验算实际开窗面积与估算出窗洞面积差别，并修改采光设计方案。,例：某车间跨度为30m（单跨），屋架下弦高度为6m，柱距6m，采光要求为II级。试进行采光设计。（1）查表知侧窗要求的窗地比为1/3，地面积为 630=180m2，则要求的侧窗面积为60m2。（2）可开侧窗面积=窗高窗宽两侧面=4.84.82=46m2（3）已解决的地面积=463=138 m2；未解决的地面积=180-138=42m2。（4）选矩形天窗，查表知窗地比为1/3.5，则所需天窗面积=42/3.5=12m2。（5）选用1.2m高的钢窗，可补充14.4m2的天窗面积，即1.262=14.4m2。,经过以上五个步骤，确定了窗洞口形式、面积和位置，基本上达到初步设计的要求。由于它的面积是估算的，位置也不一定确定不变，故在进行技术设计之后，还应进行采光验算，以便最后确定它是否满足采光标准的各项要求。,画廊顶部采光方案,古根海姆博物馆玻璃穹顶,天窗采光剖面图,天窗采光平面图,天窗采光实例,穹顶采光,思考题 1.当侧窗采光不能满足要求时，为什么在计算天窗面积时还需要算出采光的地板面积？2.在进行采光设计时已进行了窗洞口面积验算，那么还需要采光计算验证吗？,复习采光设计 1.在进行采光设计时，必须达到采光系数和采光均匀度、减弱窗眩光、各表面反射比等规定。2.采光设计5个步骤：搜集资料、定窗洞口形式、定开窗面积、估算采光口和布置采光口。,采光计算要点：1.采光计算方法；2.侧面采光计算和顶部采光计算步骤。,目的：验证所做的设计是否符合采光标准中规定的各项 指标。方法：a.用公式算；b.计算机程序（见第8章）；c.图表法利用图表，按房间的有关数据直接查出采光系数值。,一、确定采光计算中所需数据（1）尺寸和遮挡等；（2）窗洞口材料及厚度；（3）承重结构形式及材料；（4）表面污染程度；（5）室内表面反光程度。,二、计算步骤及方法 这种计算方法是按侧窗和天窗，分别利用两个不同的图表，根据有关数据查出相应的采光系数值。在进行采光计算时，首先要确定无限长带形窗洞口的采光系数；然后按实际情况考虑各种影响因素，加以修正而得到采光系数最低值（侧面采光）或平均值（顶部采光）。,（一）侧面采光计算,侧窗采光计算图表,侧窗采光图例（a）单侧采光；（b）对称双侧采光；（c）非对称双侧采光；（d）非对称双侧采光,（二）顶部采光计算,天窗计算图例（a）矩形天窗；（b）平天窗；（c）锯齿形天窗,顶部采光计算图表,【例6-1】北京某一般的机电产品加工车间，长为102m，三个跨度均为18m，屋架下弦高8.2m，尺寸见图6-48。室内浅色粉刷，一般污染，钢屋架，窗的朝向为东（西）向，窗外无遮挡物，试设计需要的天窗和侧窗。,图6-48,【解】查建筑采光设计标准中的工业建筑的采光系数标准值得出，一般的机电加工车间属级采光等级；采光系数最低值 C min为2%（侧面采光），Cav为3%（顶部采光）。北京地处类光气候区，查表6-2得，光气候系数为1.0，故上述标准值不变。1采光设计（1）侧面采光 由级采光等级查表6-5得双侧窗的窗地比为1/4。边 跨每开间能开侧窗的最大面积为（6-0.452）m7.2m=36.72 m2。而边跨每开间的侧窗面积约需6m18m/4=27m2，窗高为27 m2/5.1 m5.3 m。现设窗高分别为 2.4 m和3.6 m，侧窗布置如图。按工艺要求，计算点选 在距跨端3.5 m处P1点。,（2）顶部采光。中间一跨采用矩形天窗采光，由级采光等级查表6-5 得矩形天窗的窗地比为1/4.5。中间一跨需天窗面积为6m 18m/4.5=24 m2，天窗的窗高为24m2/6m/2=2m，现取天窗的 窗高为2.1 m，天窗布置见图6-48。2采光计算（1）侧面采光：B=18-3.5=14.5 m，l=102 m，b=18 m，l4b,I窗：1）分别求窗上、下沿对应的Cd 上沿：hs=7.2 m,B/hs=14.5/7.22.01，查图6-44得Cd=3.40%下沿：hs=4.8 m,B/hs=14.5/4.83.02，查图6-44得Cd=1.45%2）求Kc：由式（6-8）得Kc=5.1/6.0=0.85,3）分别求Kr（a）设各表面的光反射比：顶棚rp=0.7，墙面rq=0.5，地面rd=0.2，窗口（单层玻璃）rc=0.15。（b）室内平均光反射比：（c）由B/hc为2.01和3.02分别查表6-6双侧采光对应值，再由内插法算得：Kr11.48，Kr21.82 4）求K:单层普通玻璃，查表3-3，取=0.80；采用单层钢窗，查表6-7得c=0.80；垂直窗，一般污染，查表6-8得w=0.75。则由式（6-10）算得：=0.800.800.75=0.48,5）定Kw：因室外无遮挡，故取Kw=1。6）查Kf：北京地处类光气候区，北纬约40，垂直窗朝向为东（西）向，查表6-10得晴天方向系数Kf=1.20 7）求高侧窗I在P1点产生的Cmin：根据式（6-7）算得 Cmin=1.17（%）窗：hc=3.6 m，B/hc=14.5/3.64.03，查图6-44 得Cd=0.82%同I窗的相同方法得：Kc=0.85，=2.05，=0.48，Kw=1，Kf=1.20。窗在P1点产生的Cmin：Cmin=0.82（%）,侧面采光在P1点上产生的采光系数：Cmin=CminCmin=1.170.82=1.99（%）2.0（%）由采光计算结果表明：当计算点P1和跨端距离OP1小于3.5 m时，采光系数小于2%，仅为1.5左右，所以该区域是侧窗采光不满足级采光等级的区域，宜作为一般工作区域使用；当计算点和跨端距离大于3.5 m时，侧面采光符合级采光等级要求。,（2）顶部采光 1）求Cd：Ac/Ad=（62.12）/（618)0.233；l=102 m，hx=10.8 m，l 8 hx。查图6-46得Cd=4.90。2）求Kg：本例天窗为单跨，b=18 m，hx/b=0.6，查 表6-11得Kg=0.69。3）求Kr：侧面采光计算中已算得=0.43，查表6-12后 算得：,4）求K：由侧面采光计算得=0.80，c=0.80，w=0.75，采用钢屋架承重结构，查表6-13得j=0.90。由式（6-12）算得：=0.432 5）求Kd：该矩形天窗没有设置挡风板，故Kd=l。6）定Kf：同侧面采光，即Kf=1.2。7）定Kj：采用矩形天窗采光，故Kj=1 8）矩形天窗采光系数由式（6-11）得：天窗采光系数的计算值基本满足要求。,本节习题 1.按例题3-4（图3-21）所给房间剖面，在CIE标准阴天时，求水平窗洞在桌面上形成的采光系数；若窗洞上装有=0.8的透明玻璃时的采光系数；若窗上装有=0.5的乳白玻璃时的采光系数。2.重庆地区某会议室平面尺寸为5m7m，净空高3.6m，估算需要的侧窗面积并绘出其平、剖面图。,