《建筑环境学》第六章.ppt

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1、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

2、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

3、，=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,

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、)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

10、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

11、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

12、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

13、）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

14、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

15、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

16、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

17、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：

18、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

19、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

20、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

21、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,