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1、第二篇 建筑光学,第1章 建筑光学基本知识 第2章 天然采光 第3章 建筑照明,第1章 光学基本知识可见光是人眼能接受到的电磁波，波长为380780nm。光能量,在进行光照设计之前，我们首先要了解：1. 人眼视觉特性2. 光的度量（光度学知识）3. 材料的光学性能,1-1 眼睛与视觉 一. 人眼的构造,主要部分：1. 瞳孔 调节光量，如同相机光圈。2. 水晶体 汇聚光线，在视网膜上成像，如同透镜。3. 视网膜 充满感光细胞的组织，相当于相机胶片。4. 感光细胞 锥状细胞：感受强光，颜色（明视觉）；杆状细胞：感受弱光，没有色感觉，只能感觉 物体的形状（暗视觉）。,二. 人眼的视觉特点1. 颜色感
2、觉:,人眼对光的强弱感随波长而异。V()=m/() m 光谱光视效率最大时的电磁辐射量；() 波长为的单色光看上去与波长m的光一样亮时的电磁辐射量。,2. 光谱光视效率（V）：,3. 视野范围（视场）:双眼不动的视野范围为：水平180；垂直130 ，上方60 ，下方70 。视觉中心 2 中心视场，视觉最敏锐，分辨细节；视觉中心30 清楚区域。如图,4. 明暗视觉:锥状细胞明视觉（分辨细节）。杆状细胞暗视觉（只分形，不辨色）。,12 基本光度单位和应用一. 光通量 电磁辐射通量 e,人眼灵敏度=光通量 = Kme,V()d式中 光通量lm；e, 波长为的单色辐射通量W；V() CIE光谱光视效率
3、，可由图2.1-3（见前两页）查 出；Km 最大光谱光视效能，在明视觉时Km为683lm/W。 例： 100W白炽灯光通量为1250lm；40W日光灯为2200lm。书上例子： 2.11，2.12（p136）。,二. 发光强度 I I 是描述光在空间分布的量，表述为单位立体角的光通量。立体角 =dA/r2sr 球面度（点对全空间=4 sr，点对半空间=2 sr。）发光强度 I=d/d cd cd 坎德拉= lm/1sr,例：100W的白炽灯看作点光源，光通量 = 1250lm向全空间发光， I1= 1250/4=100 cd向半空间发光， I2= 1250/2=200 cd向1/10空间发光，
4、I3= 12500/4=1000cd,三. 照度 E 描述被照面上照射程度的量，表述为垂直通过单位面积上的光通量。E=d/dA lx=lm/m2照度的英制单位为英尺烛光（符号为fc），1fc=10.76lx。例：40W白炽灯下1m的水平照度为30lx；比较明亮的道路照度（平均值）为3040lx；阴天中午室外照度为 8000 20000 lx；晴天中午室外照度为80000 120000 lx；明亮的教室桌面照度为500 1000 lx；明亮月光照射地面照度为0.5 1 lx。,四. 发光强度I与照度E的关系（距离平方反比定律）E=Icos/ r2 （此公式适用于点光源） 式中：I 光源的发光强度
5、cd；r 光源到被照面的距离m ； I与被照面法线的夹角。注:点光源：圆形光源直径小于r的1/5；线形光源长度小于r的1/4。 书上例子：2.13（p138）,五. 亮度 L 光源或被照物体的明暗程度。（黑板上的白字照度与黑底相同，而二者亮度却不同。）L=I/Acos cd/m2更大亮度单位 sb（熙提），有： 1sb=104cd/m2。,常见的一些物体亮度值如下：明亮的道路： 2 3 cd/m2；泛光照明的建筑：10 10 2 cd/m2 ；阳光照射的相同建筑：1 2104 cd/m2 日光灯表面：8 9103 cd/m2 ；白炽灯表面：3 5106 cd/m2 ；蓝天0.2 2104 cd
6、/m2 ； 太阳2109 cd/m2,六. 照度E和亮度L的关系（立体角投影定律）照度和亮度的关系是指光源亮度和它所形成的照度间的关系。如图2.1-10所示，设A为各方向亮度都相同的发光面，在被照面上的P点处形成的照度为：E=Lcos书上例子：2.14,13 材料的光学特性 一. 光的反射、吸收和透射比（率）光照射到材料表面时，入射光通量= 反射指数 = /= /= / 、 、随材料不同而异，做好采光、照明 设计不仅要知道材料的反射或透过率，还应知道 其光通量如何分布。 反光和透光材料均分为两类：定向类（立体角不变）扩散类（立体角变大）,二. 定向反射和透射定向反射： L=L；I=I （物体经
7、定向反射或透射后，（镜面） 形不变，亮度变暗。）定向透射： L=L；I=I （平板玻璃）式中 L（L）、I（I） 分别为经过透射（反射）后的光源亮 度和发光强度；L 、I 分别为光源原有亮度和发光强度；、 分别为材料的光透射比和光反射比。,三. 扩散反射和透射（均匀扩散和定向扩散）1. 均匀扩散材料：把入射光线向四面八方反射或透射，各角度看亮度相同，看不出光源。 A.均匀扩散反射（如氧化镁、石膏等，及大部分无光泽、粗糙材料）L=E/B.均匀扩散透射（乳白玻璃、半透明塑料等）L=E/,2. 定向扩散材料 具有定向和扩散两种性质，在定向反射（透射）方向上具有最大亮度。 定向扩散反射：如光滑纸面/光
8、亮金属表面/油漆面定向扩散透射：如磨砂玻璃,14 视度及影响因素看物体的清楚程度称为视度，受以下因素影响： 一. 适当的亮度亮度范围：10-516sb （10-1 1.6105cd/m2）最佳照度：1000 3000lx 二. 对象视角（物体尺寸）=d3440/l 分 三. 对比对象与背景之间的亮度差：C=L/Lb或（L大-L小）/L大,对于无光泽的背景和目标，均匀照明条件下，C为反射比。视功能曲线反应出： 1. 在视角一定的情况下，照度与对比互补； 2.视角越小，需要照度越大； 3. 天然光对视度更有利。 四. 识别时间（邦森罗斯科定律） 亮度时间=常数当环境明暗发生变化时，人眼有个适应过程
9、： 从亮到暗的过程称为“暗适应”，此适应时间长； 从暗到亮的过程称为“明适应”，此适应时间短。 （在采光照明设计中应注意明暗空间的过渡。）,五. 避免眩光眩光就是在视野中，由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在着极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。失能眩光 降低视觉功效和可见度的眩光。（如汽车灯、直射的阳光等）不舒适眩光 引起不舒适感觉，但并不一定降低视觉功效或可见度的眩光。（如桌面上的光幕）,第2章 天然采光高效 天然光是一种 清洁 的能源，应充分利用天然光，节约电能。可持续 2-1 光气候和采光标准 一. 光气候 （一） 天然光组成包括：太阳直射光、天空扩散光、
10、地面反射光。1. 晴天它是指天空无云或很少云，如以云量来表示，晴天的云量为03级，这时地面照度是由太阳直射光和天空扩散光两部分组成。 （此时太阳所在天空明亮）2. 全云天（阴天）这时地面照度取决于： （A）太阳高度角； （B）云状；（C）地面反射能力； （D）大气透明度。,以上四个因素都影响室外照度，而它们本身在一天中也是变化的， 必然也使室外照度随之变化，只是变化幅度没有晴天那样剧烈。至于全云天的天空亮度分布,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（此式由蒙-斯本塞Moon-Spenser提出）：L=（1+2sin）Lz/3 式中 L 仰角为的天空的亮度（cd/cm2）；L
11、z 天顶亮度（cd/cm2）； 计算天空亮度处的高度角（仰角）。上式被国际照明委员会（CIE）采纳为标准全云天计算式，经我国几 个地方实测资料验证，也基本上符合我国情况。由上式可知，全云天时天顶亮度最大，它是地平线附近天空亮度的3 倍，即： L90=3 L0 （二） 我国光气候概况影响室外照度的因素包括：（A）太阳高度（北方小、南方大）；（B）云状（北方高、南方低）；（C）云量（北方小、南方大）；（D）日照率（太阳出现时数和理论上应出现时数之比，北方高，南方低 ）。,采光，北方以直射光为主，南方以扩散光为主（如重庆地区：总照度低，E扩散光/ E总值大）。,二. 采光标准 采光标准是采光设计的基
12、本依据，主要内容包括： 1. 采光系数CC=（En/Ew）100% En 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；Ew 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。利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。,2. 采光系数标准值采光系数标准见书 P156，表2.2-2，2.2-3。,采光口,影响采光口形式的因素包括：技术、经济。,提供,室内照度,室内最低照度 （250，150，100，50，25lx）,决定,室内工作等级,分为I-V级,Ew 临界
13、=5000lx（临界照度，开灯照度）,确定采光系数,3. 光气候分区对采光系数的调整我国各地光气候的差别很大，西北广阔高原地区室外总照度年平均 值（从日出后半小时到日落前半小时全年日平均值）高达31.46klx；而 四川盆地及东北北部地区则只有21.18klx，相差达30%。若采用同一采光 标准值是不合理的，故采光标准将全国分为IV个光气候分区。见图 2.2-5，表2.2-4。 如某一作业C=5%， 在天津地区（） C=5%1=5%； 在重庆地区（） C=5%1.2=6%,采光均匀度； 4. 采光质量 防止眩光；合适的反射比；防止紫外线的进入。,2-2 采光口侧窗 采光口=洞口+透明材料 天窗
14、 一. 侧窗1. 建筑特点：构造简单；布置方便；造价低；易使用维护。 2. 采光特点： 光线有明确的方向性，有立体感和垂直照度；有通透的视线。 采光能力：进深不超过窗高的1.53倍； 高窗远亮，低窗近亮； 侧窗的尺寸与位置的影响；,3. 提高、改善侧窗采光能力，加强建筑深处采光 装扩散或折光玻璃； 窗口遮光，反光的处理； 加水平百叶。,二. 天窗 建筑顶部的采光口 天窗 发展为采光顶（工业建筑） （民用建筑） 建筑特点：构造复杂；造价高；不便使用维护；有些有易通风散热。 采光特点：采光量大；均匀度好；水平采光量大，垂直面采光不好；易 产生直射眩光并引起室内过热。侧窗及天窗具体分类如下：A.矩形
15、天窗； B.梯形天窗；C.横向天窗D.锯齿形天窗；E.平天窗；F.井式天窗。,2-3 采光设计 一. 采光设计步骤 1. 搜集资料 （1）设计对象对采光要求：A.工作特点；B.工作面；C.对象表面；D.是否允许直射光；E.工作等级。 （2）其它要求：采暖、通风、泄爆。 （3）房间及周围环境 2. 选择采光口形式 3. 确定采光口位置与可能开设的窗面积 4. 估算采光口尺寸 5. 布置、设计采光口,二. 中小学教室采光设计要点 1. 教室视觉要求 A. 主要视觉对象为：（1）黑板 照度高集中精力；（2）书桌 充足、均匀的水平照度，桌面与背景间 的对比要尽量的小。 B. 合理的亮度分布，消除眩光，以免分散注意力； C. 桌面采光系数不低于2%，窗地比不小于1/4； D. 光线的方向性：光线应从人的左前方射入； E. 对直射阳光要加以控制； F. 要考虑是否有多媒体教学的要求。 2. 教室采光设计中的几个重要问题 A. 装修：墙面、顶棚颜色要浅，并且要扩散反射，桌面宜用中、浅色；,
