第八章 建筑物理

建筑光环境2019/8/12孙凤明1第八章天然采光第一节光气候和采光标准第二节采光口第三节采光设计第四节采光计算建筑光环境2019/8/12孙凤明2第一节光气候和采光标准一、光气候所谓光气候就是由太阳直射光、天空光和地面反射光形成的天然光平均状况。下面简要介绍有关光气候知识。建筑光环境2019/8/12孙凤明3（一）天然光的组成和影响因素太阳是天然光（Daylight）的光源。日光（Sunlight）在通过地球大气层时被空气中的尘埃和气体分子扩散，结果，白天的天空呈现出一定的亮度，这就是天空光（Skylight）。天然光是直射日光与天空光的总合。建筑光环境2019/8/12孙凤明4地面照度来源于日光和天空光，其比例随太阳高度与天气而变化。通常，按照天空中云的覆盖面积将天气分为三类：（1）晴天——云覆盖天空的面积占0～3／10（2）多云天——云占4/10～7/10；（3）全阴天——云占8/10～1建筑光环境2019/8/12孙凤明51、晴天晴天时，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。建筑光环境2019/8/12孙凤明6图8－1晴天室外照度变化情况建筑光环境2019/8/12孙凤明7晴天天空的亮度分布相当复杂，与太阳高度和方位两个因素有关。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；与太阳相距约一90°高度角的对称位置上，天空亮度最低。图8－2是典型的晴天天空亮度分布图（符合CIE标准晴天天空亮度分布函数，设Lz＝1）。建筑光环境2019/8/12孙凤明8图8－2晴天天空亮度分布（太阳高度角40°，方位角0°）建筑光环境2019/8/12孙凤明9图8－3晴天天空亮度分布剖面（太阳高度角40°，方位角0°）建筑光环境2019/8/12孙凤明102、全云天这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扩散光，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）大气透明度建筑光环境2019/8/12孙凤明11这种天空在同一高度的不同方位上亮度相等，但是从地平面到天顶的不同高度上有以下的亮度变化规律。Lθ－－仰角为的天空的亮度（cd/m2）；Lz－－天顶亮度（cd/m2）；－－计算天空亮度处的高度角（仰角）。建筑光环境2019/8/12孙凤明12图8－3阴天天空亮度分布建筑光环境2019/8/12孙凤明13从上式推算，天顶亮度约为地平线附近天空亮度的3倍。由于阴天的亮度低，亮度分布相对稳定，而且，朝向对室内照度影响小，因而使室内照度较低，照度分布也较稳定。这时，室外地面照度（以lx为单位）在数值上等于高度角为42o处的天空亮度（以asb为单位），即：E地(lx)＝L42(asb)建筑光环境2019/8/12孙凤明14)(972mcdπL(lx)Ez地再由立体角投影定律可以导出天顶亮度与地面照度在数量上的关系为：同样方法还可导出阴天的室外垂直面照度为：E垂＝E地×0.396图8－3示出平均亮度相等的两种天空亮度分布的区别。建筑光环境2019/8/12孙凤明15（二）我国光气候概况我国地域辽阔，各地光气候有很大差别，同一时刻南北方的太阳高度相差很大。从日照率来看，由北、西北往东南方向逐渐减少，而以四川盆地为最低。从云量来看，大致是自北向南逐渐增多，新疆南部最少，华北、东北少，长江中下游较多，华南最多，四川盆地特多。建筑光环境2019/8/12孙凤明16从云状来看，南方以低云为主，向北逐渐以高、中云为主。这些特点说明，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。图8－4是我国135个点的照度数据绘制成的全国年平均照度分布图。图8－5为重庆室外地面照度实测值（klx）。表2.2-1是相应图8－5的数值表。建筑光环境2019/8/12孙凤明17图8－4全国年平均总照度分布图(klx)建筑光环境2019/8/12孙凤明18图8－5重庆室外地面照度实测值（klx）（a）总照度；（b）扩散光照度建筑光环境2019/8/12孙凤明19重庆室外散射照度与总照度之比表8－1建筑光环境2019/8/12孙凤明20二、采光标准我国于2001年11月1日起实施的《建筑采光设计标准》（GB/T50033-2001）是采光设计的依据。下面介绍该标准的主要内容：建筑光环境2019/8/12孙凤明211．采光系数（DaylightFactor）采光系数（C）是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（En）与同一时间同一地点，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（Ew）之比。两个照度值均不包括直射日光的作用。采光系数的符号为C，以百分数表示。于是：建筑光环境2019/8/12孙凤明22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。建筑光环境2019/8/12孙凤明232．采光系数标准值前面已经介绍，不同的视看对象要求不同的照度，而照度在一定范围内是愈高愈好，照度愈高，工作效率愈高。但高照度意味着投资大，故它的确定必须即考虑到视觉工作的需要，又照顾到经济上的可行性和技术上的合理性。建筑光环境2019/8/12孙凤明24采光标准综合考虑了：视觉试验结果；已建成建筑物的采光现状；采光口的经济分析；我国光气候特征；以及我国国民经济发展等因素，将视觉工作分为Ⅰ～Ⅴ级，提出了各等级视觉工作要求的天然光照度最低值为250、150、100、50、25lx。我们把室内完全利用天然光进行工作时的室外天然光照度最低值称为“临界照度”，也就是室内开始需要采用人工照明时的室外照度值。建筑光环境2019/8/12孙凤明25经过不同临界照度值对各种费用的综合比较，还考虑到开窗的可能性，我国的采光标准规定临界照度值为5000lx。确定这一值后就可将室内天然光照度换算成采光系数。建筑光环境2019/8/12孙凤明26由于不同的采光口类型在室内形成不同的光分布，故采光标准按不同的采光口类型，分别提出不同的要求。顶部采光时，室内照度分布均匀，采光系数采用平均值。侧面采光时，室内光线变化大，故采光系数采用最低值。见下表：建筑光环境2019/8/12孙凤明27表8－2视觉作业场所工作面上的采光系数标准值建筑光环境2019/8/12孙凤明28从表中可看出，采光系数标准值的高低是根据视看对象的大小和采光口类型而定的。在《建筑采光设计标准》中，采光系数标准值是按房间的工作性质来确定的，采光系数标准值见教材P166。建筑光环境2019/8/12孙凤明293、光气候分区由于我国各地光气候差别太大，若采用同一采光标准值显然是不合理的，故采光标准将全国划分为Ⅰ～Ⅴ个光气候区（图8－6）。在《建筑采光设计标准》中所列采光系数标准值适用于Ⅲ类光气候区。其它地区应按它所在不同的光气候区，选择相应的光气候系数（光气候系数见表8－3）。建筑光环境2019/8/12孙凤明30图8－6光气候分区建筑光环境2019/8/12孙凤明31光气候区ⅠⅡⅢⅣⅤK值0.850.901.001.101.20室外临界照度值（lx）60005500500045004000各区具体的采光系数标准值，为采光标准各表所列采光系数标准值乘上各区的光气候系数。表8－3光气候系数建筑光环境2019/8/12孙凤明324、照度均匀度视野内照度分布不均匀，易使人眼睛疲乏，视功能下降，影响工作效率。因此，要求房间内的照度分布有一定的均匀度（即在假定工作面上的采光系数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）。建筑光环境2019/8/12孙凤明33采光标准提出顶部采光时，Ⅰ～Ⅳ级采光等级的采光均匀度要求不得小于0.7。侧面采光时，由于室内照度不可能做到均匀，以及顶部采光时，Ⅴ级视觉工作需要的开窗面积小，较难照顾采光均匀度，故此时对均匀度未作规定。建筑光环境2019/8/12孙凤明345、眩光限制在侧窗采光房间里，窗口位置较低，对于视线处于水平的工作场所极易形成不舒适眩光。标准提出可采取以下措施来减少窗口眩光：建筑光环境2019/8/12孙凤明35作业区应减少或避免直射阳光；工作人员的视觉背景不宜为窗口；可采取室内外遮挡设施来减少窗亮度或减少窗的视域；窗结构的内表面和窗周围的内墙面宜采用浅色饰面；具体控制侧窗眩光的处理方法见图8－7。标准还提出要求采取措施来防止反射眩光。建筑光环境2019/8/12孙凤明36图8—7控制侧窗眩光的细部处理a----窗台做成斜面；b----高反射率的顶棚，并且利用室外反射提高顶棚亮度，减小对比；c----用半透明百叶减小高天空亮度区（2），同时仍然可以看出（1）；d----利用人工照明照亮窗周围的墙面，以减小对比，减弱眩光。建筑光环境2019/8/12孙凤明37第二节采光口侧窗天窗本节主要介绍其采光特性建筑光环境2019/8/12孙凤明38一、侧窗1．单侧窗在进深不大，仅有一面外墙的房间，普遍利用单侧窗采光。它的主要优点是光线自一侧投射，光流有显著的方向性，使人的容貌和立体物件形成良好的光影造型。建筑光环境2019/8/12孙凤明39图8－8侧窗采光时的工作台位置a－－光线来自侧方b－－工作台与窗子相垂直布置（平面图）建筑光环境2019/8/12孙凤明40当工作位置与有窗的外墙相垂直布置时（图8－8），有效地避免了光幕反射和不舒适眩光。此外，通过侧窗还能直接看到室外景物，窗子的构造简单，维修方便，价格也便宜。建筑光环境2019/8/12孙凤明41影响单侧窗采光效果的几个因素：（1）室内一点获得的天空直射光数量是由该点透过窗子“看”到的天空面积大小决定的，离窗子愈远，“看”到的天空面积愈小；（2）全阴天空时，天顶要比地平线附近的天空亮得多；建筑光环境2019/8/12孙凤明42（3）由窗子投射来的光线与受光平面的夹角越大，照度越高，投射角越小，照度越低（余弦定律）；（4）室外景物对天空视域的遮挡。建筑光环境2019/8/12孙凤明43图8－9单侧窗采光区域示意图建筑光环境2019/8/12孙凤明44图8－10各种形式的侧窗建筑光环境2019/8/12孙凤明452．双侧窗在相对两面侧墙上开窗能将采光进深增加一倍，同时缓和实墙与窗洞间的亮度对比。相邻两面墙上都开侧窗，在缓和墙与窗的对比上效果更显著，但采光进深增加有限。建筑光环境2019/8/12孙凤明46图8－14不同天空时双侧窗的室内照度分布a－－晴天；b－－阴天ab建筑光环境2019/8/12孙凤明47由上述可知，侧窗的采光特点是照度沿房间进深下降很快，分布很不均匀，虽可用提高窗位置的办法来解决一些，但这种办法又受到层高的限制，故这种窗只能保证有限进深的采光要求，一般不超过窗高的二倍。更深的地方宜采用人工照明补充。建筑光环境2019/8/12孙凤明48二、天窗1、矩形天窗在单层工业厂房中，矩形天窗应用很普遍。图8－11a是矩形天窗的透视简图，它实质上相当于提高位置的成对高侧窗。在各类天窗中，它的采光效率（进光量与窗洞面积的比）最低，但眩光小，便于组织自然通风。建筑光环境2019/8/12孙凤明49图8－11矩形天窗a---矩形天窗；b---横向矩形天窗建筑光环境2019/8/12孙凤明50（l）天窗跨度bk：对照度水平和照度均匀度都有影响。在一定范围内加大bk能提高平均照度并改善均匀度；但超过限度会造成邻跨间天窗的互相遮挡，效果适得其反。合适的比例应为bk=0.4～0.6b（b为建筑跨度或一列天窗分属的建筑宽度）。建筑光环境2019/8/12孙凤明51(2）天窗位置的高低与天窗间距：天窗下沿至工作面的高度hx愈高则照度愈低，但均匀度变好；天窗低，效果正相反。因为hx通常是由生产工艺或建筑体积决定的，所以控制天窗间距dc与hx的比例较为实际。一般以hx/dc＝0.45～0.70为宜。当每跨仅有一列天窗