建筑物理第三讲天然光环境(一)--昼光光源与采光

1第三讲：天然光环境（一）-昼光光源与采光2本讲主要内容：3.1天然光环境概述3.2光气候与采光标准3.2.1、光气候3.2.2、采光标准（采光设计标准）------天然光环境的质量评价3.3采光口（采光窗）3.3.1、侧窗3.3.2、天窗3.3.2.1、矩形天窗3.3.2.2、横向天窗3.3.2.3、锯齿形天窗3.3.2.4、平天窗3太阳是生命之源，它以无尽的光和热哺育大地。是一种巨大的安全的清洁光源。3.1天然光环境--------------------概述早在古人学会建造房屋时起，他们就掌握了在屋顶或墙壁上开洞收集天然光照明的方法。古罗马万神庙巨大穹顶上直径近9m的圆洞和我国民居常用的面积不到一尺见方的亮瓦，都显示了前人采光的智慧．近代著名的建筑大师，如莱特、勒·柯布西埃、路易斯·康等人的许多作品，更是运用昼光照明和渲染气氛的杰作。4罗马的万神庙哈德良皇帝于公元120年~公元124年在意大利罗马兴建了万神庙，作为奉祀诸神的神殿。这座显示了古罗马人卓越工程技术的建筑物，给人们留下了深刻的印象。万神庙穹顶直径43米的记录直到20世纪还未被打破。如此规模的穹顶通常需要一些支撑物，但古罗马人精通如何建造拱形屋顶而不需要柱子支撑的技术。虽然古罗人不是拱门的首创者，但他们是最早认识拱门用途的人。穹顶的圆眼（一直径为8.2米的采光圆孔——泽注）使阳光泻入万神庙。庙内的地面和墙壁均用色彩鲜明的大理石建成。天然光环境-------------------------概述5金贝尔美术馆--路易斯•康美术馆是一个将天然采光设计和空间造型相结合的经典范例！6七十年代以来，节能的紧迫性和重视环境设计的新观念，对采光科学技术有很大的推动。现在人们已经能够几乎任意地控制天然光。我们可以用巨大的玻璃顶棚将一个中庭或大厅覆盖起来，模拟晴日当空、四季如春的大自然；也可以借助随太阳运行轨迹自动控制的遮阳装置完全遮蔽阳光，造成光线柔和宜人、照度稳定的工作环境。前几年曾经有人设想，用集日镜将日光收集起来．通过光导纤维输送到地下或建筑物深处的采光装置；目前，这种设想已经成为现实，它预示着建筑采光技术在不久的将来会有更快的发展。天然光环境--------------------概述7建筑物充分利用昼光照明的意义:近年来的许多研究表明，太阳的全光谱辐射，是人们在生理上和心理上长期感到舒适满意的关键因素，不仅可以获得较高的视觉功效，节约能源和费用，而且很可能还是一项长远的保护人体健康的措施。另外，多变的天然光又是表现建筑艺术造型、材料质感，渲染室内环境气氛的重要手段。所以，无论从环境的实用性、还是美观的角度，都要求建筑师对昼光的利用做认真的规划，掌握设计天然光环境的知识和技巧。天然光环境------------------------------概述8昼光的组成日光——变化很快，在采光计算中不考虑。天空光——相对稳定，建筑采光的主要光源。•在采光设计中，我们提到昼光（天然光）往往指的是天空光．它是建筑采光的主要光源。•直射日光强度极高，变化很快，为防止眩光或避免房间过热，工作房间常需要遮蔽日光，所以在采光计算中一般不考虑直射日光的奉献。不过，室内照进直射日光也有积极的作用，变化不定的光束会增添室内环境的情趣，使人有接触大自然的感受，给人以时间的信息．93.2光气候与采光标准在天然采光的房间里，室内的光线随着室外天气的变化而改变，要设计好室内采光，保证光需要，就需了解光气候知识。3.2.1、光气候：是由太阳直射光、天空扩散光和地面反射光形成的天然光平均状况。1、天然光的组成a、太阳直射光：太阳光穿过大气层时，直接透过射到地面的光。直射光照度大、有方向，在物体背后形成阴影。b、天空扩散光：太阳光穿过大气层时，碰到大气层中的空气分子、灰尘、水蒸气等微粒，产生多次反射，形成天空扩散光。天空扩散光使天空具有一定的亮度，在地面上形成的照度较小，无方向、不形成阴影。全云天时只有天空扩散光；晴天时室外天然光有太阳直射光和天空扩散光两部分组成。102、不同天气室外光气候的变化•地面照度来源于日光和天空光，其比例随太阳高度与天气（天空中的云和云是否将太阳遮住）而变化，通常，按照天空中云的覆盖面积将天气分为三类：晴天-------云覆盖天空的面积占0~3/10多云天-------云占4/10~7/10全阴天--------云占8/10~10•晴天地面照度主要来自直射日光，随着太阳高度角的增大，直射日光照度在总照度中占的比例也加大。•全阴天则几乎完全是天空扩散光照明。多云天介于二者之间，太阳时隐时现，照度很不稳定。113、天空亮度分布国际照明委员会（CIE）根据世界各地对天空亮度观测的结果，提出三种天空亮度分布的数学模型，供设计人员在采光设计中使用。•①均匀天空亮度分布天空各方向亮度一致。这是一种假想的、理论上的天空状况，只在简化的采光设计中才考虑。•②CIE标准全阴天空（全云天）CIE标准全阴天空适合于最低限度条件的采光设计。它符合世界各地对实际全阴天空观测的结果，数学表达式简单，应用广泛，我国也采用这类天空作为采光设计的依据。12度。高度角，），天顶两度（角的天空亮度，离地面式中：---/90Lcd/mLcd/m3sin212z22mcdLLz从左式推算：天顶亮度约为地平线附近天空亮度的3倍。CIE标准全阴天空（全云天）这种天空在同一高度的不同方位上亮度相等，但从地平面到天顶的不同高度上有以下的亮度变化规律：13全云天气地面照度较低。地面照度取决于：（1）太阳高度角。阴天中午仍然比早晚的照度高。（2）云状。不同的云成分不同，对光线的影响也不同。低云（如下雨时的云）云层厚，主要有水蒸气组成，遮挡和吸收大量的光线，使天空的亮度降低，地面照度小。高云有冰晶组成，反光能力强，使天空亮度达到最大，地面照度也高。（3）地面反射能力。光在云层和地面间多次反射，使天空亮度增加，地面上的扩散光照度也提高，积雪地面，扩散光照度比无雪时提高1倍以上。（4）大气透明度。工业区烟尘使大气杂质增加，大气透明度降低，室外照度大大降低。14•③晴天天空亮度分布：是随大气透明度、太阳和计算点在天空中的相对位置而变，最亮处在太阳附近，离太阳愈远，亮度愈低。另外，晴天同阴天相反，除去太阳附近的天空最亮以外，通常在地平线附近的天空要比天顶亮；与太阳相距约90度高度角的对称位置上，天空亮度最低。CIE晴天天空154、我国光气候概况：•影响室外地面照度的因素：太阳高度、云量、云状、日照率等。•日照率（太阳出现的时数和可能出现的时数之比），由北、西北往东南方向逐渐减少，四川盆地一带为最低。云量，由北向南逐渐增多，新疆南部最少，华北、东北少，长江中下游较多。云状，南方低云，向北逐渐以高、中云为主。•天然光照度中，南方以天空扩散光照度较大，北方和西北以太阳直射光为主。•全国年平均总照度分布图：各地光气候的分布趋势，全年平均总照度最低值在四川盆地，因为该地区全年日照率低、云量多、低云所致。16全国年平均总照度分布图(Klx)173.2.2、采光标准（采光设计标准）------天然光环境的质量评价采光设计标准是评价天然光环境的质量准则，也是进行采光设计的主要依据。2001-07-31由国家建设部和质检局联合发布的《建筑采光设计标准》（GB/T50033—2001)，是在国家标准GB50033-91的基础上，总结了居住和公共建筑采光的经验，通过实测调查，并参考了国内外的建筑采光标准而制订的天然光照明质量评价的主要内容：------采光标准1、采光系数：是室内某一点直接或间接接受天空光所形成的照度与同一时间不受遮挡的该天空半球在室外水平面上产生的照度之比。两个照度值均不包括直射日光的作用。在利用天然光照明的房间里，室内照度随着室外照度而时刻变化着，因此在确定室内天然光照度水平时，必须把它同室外照度联系起来考虑。18采光系数的符号为C00100wnEECIxEIxn的照度，的天空在水平面上产生同一时间，室外无遮挡与度，室内某一点的天然光照式中：wnEE•采光设计中引进采光系数的概念很有好处。因为，在给定的天空亮度分布下，计算点和窗子的相对位置、窗子的几何尺寸确定以后，无论室外照度如何变化，计算点的采光系数总保持不变。如想知道某一采光系数在室内达到多高照度，只要把采光系数乘以当时的室外天空漫射光照度就行了。2、采光系数标准值不同情况的视看目标要求不同的照度，而照度在一定范围内是愈高愈好，照度越高，工作效率越高。但高照度投资大、费用高，故照度的确定需考虑视觉工作的需要，又要顾经济上的可能性和技术上的合理性。19采光标准：将视觉工作分为Ⅰ~Ⅴ级，提出了各级视觉工作要求的天然光照度最低值为250、150、100、50、25Ix。采光系数标准值（GB/T50033—2001）见P6-7页表8-2本表适用于我国Ⅲ类光气候区•表中由于侧面采光房间故采光系数标准用最低值。顶部采光室内的天然光照度能达到相当好的均匀度，采光系数取平均值作为标准。avminCCavminCC20临界照度：•临界照度是人为设定的一个照度值。当室外照度高于临界照度时，才考虑室内完全用天然光照明，当等于或小于临界照度时，室内要开始采用人工照明。•室外的有效照度，或室内天然光照度等于采光标准规定的标准值时的室外照度叫临界照度。•采光标准规定临界照度值为5000Ix（适合Ⅲ类光气候区）。确定这一值后就可将室内天然光照度换算成采光系数（见表8-2）。3、光气候分区我国地域辽阔，各地光气候有很大区别，在采光设计中不可能采用同一标准，GB/T50033—2001将全国划分为Ⅰ~Ⅴ类光气候区，不同的光气候分区有不同的光气候系数K,见表8-3。21光气候系数K分区ⅠⅡⅢⅣⅤK值0.850.901.01.11.2表8-3各光气候分区的采光系数标准值：=表8-2所列值×K值光气候分区图224、照度均匀度•视野内照度分布不均匀，易使人眼疲劳，视功能下降，影响工作效率。照度均匀度以工作面上的[对于站立的工作人员水平面距地0.90m，坐着的人是075m(或0.8m)]最低照度与平均照度之比表示（或采光系数最低值与平均值之比），不得低于0.7。CIE建议的数值是0.8。此外，CIE还建议工作房间内交通区域的平均照度一般不应小于工作区平均照度的1/3。相邻房间的平均照度相差不超过5倍。5、眩光限制•当直接或通过反射看到灯具、窗户等亮度极高的光源，或者在视野中出现强烈的亮度对比时（先后对比或同时对比），就会感受到眩光。•眩光可以损害视觉，也能造成视觉上的不舒服感。当侧窗位置较低，对于工作视线处于水平的场所极易形成不舒服眩光。故标准提出了侧窗不舒适眩光评价标准，见表8-4。顶部采光口位置高，常处于视野之外，不易引起眩光，标准未作限制。233.3采光口（采光窗）窗是建筑物的主要采光设备。窗的功能：第一是引进天然光，第二是沟通室内外的视线联系，第三是用于控制自然通风。窗的形式——采光设计的核心是窗的设计按照窗所处的位置，可将窗分为侧窗和天窗两大类，采光分为侧面采光和顶部采光。有的建筑同时兼有侧窗和天窗，其采光称为混合采光。3.2.1、侧窗•是在房间的一侧或两侧墙上开的采光口，由于侧窗构造简单、维修方便、光线具有明确的方向性，有利于形成阴影，使人的容貌和立体物件形成良好的光影造型，并可扩大视野，故是最常见的采光形式。•侧窗一般放置在1m左右高度，窗台提高到2m以上时称高侧窗。24窗的形式——采光设计的核心是窗的是设计•采光量（室内各点照度总和），在采光口面积相等，窗低标高一致时，正方形窗最大，竖长方形次之，横长方形最少。•照度均匀度，竖长方形窗在房间进深方向上好，横长方形窗在房间宽度方向上较均匀。25RADIANCEImages262728窗位置的高低----------影响房间进深方向上的采光均匀度•图中，曲线表示工作面上不同点的采光系数，同一曲线的采光系数相同。低窗时，近窗处照度很高，往里迅速下降，在内墙处照度很低。当窗位置提高后