建筑光环境测量.ppt
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1、1,第七章 建筑光环境测量,兰州理工大学 土木工程学院建环教研室2012年,2,光的基本性质:波粒二象性;可见光(=380780 nm)的性质;光环境(Luminous Enviorn-ment,LE)光的物理量度参数:V(),E,I,L光环境质量的评价标准:适当的照度;舒适的亮度比;宜人的光色;无眩光干扰常用的光环境测量方法及其仪器(照度计、亮度计,Light Meter)的工作机理、使用,学习和掌握的内容(Keys),3,7.1 光的性质,光由光源(自身可以发光的物体,如太阳、恒星、灯、燃烧的物质等,有天然和人造之分)发出,可分为自然光和人工光;(建筑)光环境,Luminous(Light
2、ing)Enviornment,LE:自然光和人工光在建筑环境中的综合作用效果;建筑光学:研究自然光和人工光在建筑中的合理应用,满足人们工作、生活、审美、保护视力等需求的应用学科。与建筑声学一样,属于建筑物理学的基本组成部分;舒适的光环境标准:1.合适的光照度及其分布;2.合适的光亮度及其分布;3.光色宜人,无眩光干扰;4.自然光的合理利用(节能)。光的波粒二象性:光在介质(媒质)中以直线形式(称为光线)传播,光是粒子又称为光子,其速度为 30106 m/s;光也以电磁波形式,=0+nm,向空间传播(或辐射)光能量。所以,光既具有质量也具有能量,Elight=m C2。,4,*光子的波动运动
3、电磁波的一部分,可见光:=380 780 nm,人眼对波长不同的可见光,产生不同的颜色感觉。如=7 00 nm,光呈现红色;单色光:包含单一波长的光线,呈现该波长对应的一种颜色。复合光:包含多个波长的光线,呈现复合颜色,如阳光。光源:可以发射光线的物体。可分为:1.自然光源(如太阳、恒星)和人工光源(如各种灯具);2.单色光光源和复合光(或多色光)光源。如只发射波长为583nm的黄色光的钠灯;可发射多个波长的复合光的白炽灯,依照=380 780 nm,可将复合光分解为紫、蓝、青、绿、黄、橙、红的七钟单色光。,5,7.2 光的物理量度参数,辐射度量:它是纯客观的物理量,不考虑人的视觉效果;光度量
4、:综合考虑人的视觉效果的生物物理量;辐射度量与光度量之间有着密切的联系,前者是后者的基础,后者可以由前者导出。常用的光度量参数:有光谱光效率、光通量,照度,发光强度和亮度。,6,1.光谱光效率,V(),V()是描述人们对不同波长的光,所具有不同的视觉效果的参数。它是波长的函数,其最大值为 1,发生在人们具有最大视觉效果的波长处,*。偏离该波长*时,即,*或者*,V()1。(V()-接近正态分布)由于每个人的视觉效果会因人而异,即感知相同的光,各人的光谱光效率V()值会不同,导致了光度量方面的困难。所以,必须建立一个统一的标准。国际照明委员会 CIE,根据各国对光的研究和测试结果,提出了CIE光
5、度标准观察者的光谱光效率,也称为标准眼睛的光谱光效率。此外,由于人的视觉效果还与环境背景的明亮程度有关。因此,CIE 给出了两种光谱光效率:V()bright 和 V()dark-。,7,第1种是在明亮条件下获得的,称为明视觉光谱光效率,它表明在555nm波长处(黄绿色)视觉效果最高,即最明亮。并且,明亮程度分别向波长短的紫光和波长长的红光方向递减。第2种是在昏暗条件下获得的,称为暗视觉光谱光效率,它表明最高视觉效果发生在507nm波长处(蓝绿光)。Note:光谱光效率 V()-也可以由表格形式给出,见表7-1。在照明工程中主要应用明视觉光谱光效率,通常在未明确说明的情况下,均指明视觉条件。,
6、8,2.光通量,Luminous Flux,,光通量:在单位时间内,光源以电磁辐射的形式,向外所辐射的光能量多少,也称光辐射功率或光辐射通量,单位:流明(lumen,lm),Not W。一般而言,光源的辐射通量中可被人眼感觉为光的能量(波长380 780nm)称为光通量。Note:1lm=1cd 1sr,即:对于发光强度为1cd的均匀点光源而言,其在1sr立体角内所发出的光通量多少。,9,3.照度,Luminance,E,定义:光源照射在受照面单位面积上的光通量数值,即受照面上所接受的光通量的面密度。表示受照面被光照射程度的强弱。单位:勒克斯(Lux,lx),相当于1 lm的光通量均匀分布在1
7、m2的受照面上。性质:可叠加性。即,几个光源同时照射在同一个受照面时,该受照面的实际照度为单个光源分别存在时,形成照度的代数和。勒克斯是一个较小的照度单位。照度的英制单位是英尺烛光,Foot-Candle,fc,即:lm的光通量均匀照射在1 ft2 的受照面上,1 fc=1 lm/ft2=10.76 lx。,10,不同情况下的照度,11,4.发光强度,Luminous Intensity,I,对于点光源而言,其在某一方向的发光强度 I 定义为该光源在此方向上的单位立体角内,所发出的光通量的大小。单位:坎德拉(candela,cd),1cd=1 lm/sr 特点:I 与距离 r 无关,反映了光源
8、在特定方向上的光通量的空间密度大小。Example:1只40W 的白炽灯泡可以发射出350 lm的光通量,则其平均发光强度 思考:对于点光源而言,当它照射某个受照面,所产生的照度 E 与其在该受照面所在方向上的发光强度 I 是什么关系?,12,*光源的发光强度与受照面的照度关系,已知点光源的发光强度 I,以及其与受照面的垂直距离 r,即可求得垂直于二者连线的受照面的照度:EI/r2(=900)若点光源与受照面距离为 r,夹角为,则实际受照面的照度:En=E sin=I sin/r2(00 900),13,光源所发射的光通量相同,其对应的发光强度却不同,14,5.亮度,Lightness,L,L
9、:表征发光物体表面明亮程度的物理量,其与发光体在某个方向上的发光强度和投影面积相关。单位:尼特,nt1 nt=1 cd/m2;熙提(stilb,sb),1 sb=1 cd/cm2=104 nt*物理亮度:发光体沿视线方向上的单位面积上所发出的发光强度 I;*主观亮度:基于物理亮度,还考虑环境背景亮度的作用因素。人的视网膜只可承受 16 sb以下的亮度!,15,*亮度和照度的关系,照了不一定亮!,照度相同,吸光材料,亮度低,反光材料,亮度高,16,7.3 光环境质量的评价标准,适当的照度水平 CIE 照度标准 我国的照度标准 照度均匀度 空间照度 舒适的亮度比 宜人的光色,良好的显色性 无眩光干
10、扰,同学课后自学,17,1.适当的照度水平,通过研究、分析,当照度值存在一个合理区间,人们感到满意。当 E 超越该区间后,就会超过眼睛的适应范围,人眼会感觉很不适。,18,我国10岁四年级小学生视疲劳与照度的关系,我国成年人视疲劳和劳动生产率与照度的关系,19,国外资料记录;白炽灯下视疲劳和劳动生产率与照度的关系,国外资料记录:荧光灯下视疲劳和劳动生产率与照度的关系,20,(1)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 50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
11、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,通过分析,随着工作的复杂性和重要性的提升,所需要的照度值也同步增加。,21,(2)我国的照度标准,22,(3)照度均匀度,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的最大值 Emax、最小值 Emin与平均值 Eaverage 的相差不超过 1/6 是可以接受的。照度均匀度计算:照度均匀度工作面的最低照度/工作面最
12、高照度 对于人工照明,照度均匀度需大于1/3;对于自然采光,照度均匀度需大于1/10。,23,(4)空间照度,对于大多数公共建筑、休息区以及生活居室等而言,其照明效果往往基于目视人脸,用人的容貌是否清晰、自然来评价。在这些场所,适当的垂直照明比水平面的照度更为重要。近年来已提出两个表示空间照明水平的物理指标:平均球面照度 Esphere,ave与平均柱面照度 Ecylinder,ave。实践证明后者有更大的实用性。,24,2.舒适的亮度比,对于人眼而言,其观测物体所获得的视像。视像的舒适程度取决于视像的中心亮度 LC 与构成周围视野的适应亮度 LA的差值多少,即L=LC-LA。L 值适当,则人
13、眼感觉舒适;若L 过大,就会加重眼睛瞬时适应负担,或产生眩光,降低视觉功效;房间主要表面的平均亮度 Laverage。其分布均匀与否直接影响人对室内空间的形象感受;因此,无论从可见度还是从舒适感的角度来说,室内主要表面有合理的亮度均匀分布都是完全必要的,它是对工作面照度的重要补充;*对于实际中的工作房间,作业近邻环境的亮度应当尽可能低于作业本身亮度,但最好不低于作业亮度的1/3;而周围环境视野(包括顶棚、墙、窗户等)的平均亮度,应尽可能不低于作业本身亮度的1/10。灯和白天的窗户亮度,则应控制在作业作业本身亮度的40倍以内。,25,3.宜人的光色,良好的显色性,光源的颜色选择取决于光环境所要形
14、成的气氛。例如,照度水平低的“暖”色灯光(低色温),能在室内创造亲切轻松的气氛;而对于希望紧张、活跃、精神振奋地进行工作的房间,宜于采用照度水平高的“冷”色灯光(高色温)。从建筑的功能,或从真实显示装修色彩的艺术效果来说,光源的良好显色性具有重要作用。如印染车间、彩色制版印刷、美术品陈列等要求精确辨色;顾客在商店选择商品、医生察看病人的气色,也都需要真实的显色。,26,4.避免眩光干扰,当视野内出现高亮度的光时,使眼睛不能完全发挥机能,这种现象称为眩光。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
15、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。,27,*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 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。,28,29,7.4 光环境测量常用的仪器,照度计 线性度光谱的灵敏度余弦修正 亮度计 室内光环境的现场测量,30,1.照度计,照度计的基本组成环节:硒光电池,微电流计。其中:硒光电池是把光信号(或者光能)直接转换
16、为电信号(或者电能)的光电元件。1-金属底板;2-硒层;3-分界面;4-金属薄膜;5-集电环测量机理:基于光生伏特(光电)效应(Photovoltaic effect)。当入射光线照射到光电池表面时,其到达硒半导体层和金属薄膜的分界面上,产生光电效应(光子“撞击”出电子),光电动势的大小与光电池受光表面的照度有一定的比例关系,即 U E。将光电动势 U 接入测量电路,就会有光电流 i 通过,则光电流 i 的大小就反映了E 的大小。,31,照度计的分类:1.按光电转换器件,主要有硒、硅光电池和 光电管照度计;2.按照度值的显示方式,指示针指示和数字显示。无论何种照度计,均由光电探头,测量电路以及
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